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Elektromagnetischer Torsionsfühler
Die Erfindung bezieht sich auf einen elek- tromagnetischen Torsionsfühler zur elektri- schen Anzeige des Verhältnisses von zwei mechanischen Grössen mit einem auf Drehung beanspruchten, als Stab oder Rohr ausge- bildeten ferromagnetischen Torsionskörper, dessen Enden an den Stirnflächen von Mänteln befestigt sind, die fest und leitend mit an einen Erregungskreis angeschlossenen und durch mittels einer Isolierscheibe getrennten
Flanschen verbunden sind, wobei in der Mitte des Torsionskörpers ein Arm zur Erzeugung eines Drehmomentes im Torsionskörper be- festigt ist.
Die bisher bekannten elektromagnetischen Torsionsfühler zur Überführung einer me- chanischen in eine elektrische Grösse, welche den sogenannten Wiedemann-Effekt ausnützen, bestehen zumeist aus einem einer Torsionsbeanspruchung ausgesetzten Körper, der von einer Aufnahmespule umgeben ist und durch Wechselstrom so erregt wird, dass im Körper ein Rotationsmagnetfeld geschaffen wird, welches durch die Verdrehung des Körpers deformiert wird, wobei die Längskomponente des Magnetfeldes, die der Verdrehung des Körpers proportional ist, in der Aufnahmespule eine Spannung induziert. Diese Fühler haben den Nachteil einer gewissen Abhängigkeit der induzierten Spannung von den Frequenzschwankungen des Speisenetzes, von der Umgebungstemperatur des Fühlers und in geringem Masse auch von den Spannungsschwankungen des Erregungsnetzes.
Soll ein solcher Fühler für sehr genaue Messungen benützt werden, so müssen diese Einflüsse ausgeglichen werden. Ein weiterer Nachteil dieser Fühler ist, dass sie das bei sehr genauen Messungen erforderliche direkte Messen des Verhältnisses zweier mechanischer Grössen nicht ermöglichen.
Diese Nachteile beseitigt die Erfindung im wesentlichen dadurch, dass der Torsionsstab in den Vierteln seiner Gesamtlänge zur Erzeugung eines sein Magnetfeld deformierenden Drehmomentes mit zwei durch einen Bügel verbundenen Armen versehen ist und dass innerhalb des Mantels vier Induktionsspulen locker auf den Torsionskörper zwischen den
Armen gesteckt und derart geschaltet sind, dass das Ende einer äusseren Spule mit dem Ende der andern äusseren Spule verbunden ist, deren
Anfang mit dem Ende eines Potentiometers verbunden ist, dessen anderes Ende an den
Anfang einer inneren Spule angeschlossen ist, deren Ende mit dem Ende der andern inneren
Spule verbunden ist, und die Anfänge der äusseren Spule und der inneren Spule mit den Enden des Messpotentiometers verbunden sind,
dessen Reiter gemeinsam mit dem vorzugsweise in Mittelstellung befindlichen Reiter des Nullungspotentiometers an den Eingang des Verstärkers angeschlossen ist, dessen Ausgang mit der Steuerwicklung des Servomotors verbunden ist, der den Reiter des Potentiometers verschiebt.
In der Zeichnung ist ein Aus. führungsbei- spiel der Erfindung dargestellt. In Fig. 1 ist ein Schnitt durch den Aufriss des Fühlers, in Fig. 2 ein Grundriss des Fühlers, in Fig. 3 ein Seitenriss des Fühlers und in Fig. 4 ein Schaltbild des Fühlers veranschaulicht. In Fig. 5 ist im Seitenriss ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Der Fühler nach den Fig. 1 bis 3 besteht aus einem ferromagnetischen stab-oder rohrförmigen Körper 5, der an beiden Enden mit den Stirnflächen 9 der gleichfalls aus ferromagnetischem Material gefertigten, zylindrischen Mäntel 8 leitend so verbunden ist, dass der Stab 5 nach beiden Richtungen verdreht und dann fixiert, z. B. mit einem Zinnlot an- gelötet werden kann. Die inneren Enden der Mäntel 8 sind fest und leitend an den Metallflanschen 10 befestigt, die an den Erregungskreis 12 angeschlossen sind. Zwischen die bei- den Flanschen 10 ist eine isolierende Einlage 11 eingelegt.
In der Mitte des Torsionskörpers 5 ist ein kleiner Arm 6 befestigt, in den Vierteln der gesamten Körperlänge sind ebenfalls kleine Arme 7 befestigt, die untereinander9
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durch den durch die Mäntel 8 herausgeführten Bügel 13 verbunden sind. Die Arme 6 und 7 sind am Körper 5 so befestigt, dass derselbe nicht unterbrochen wird. Auf dem Körper 5 sind in den einzelnen Vierteln seiner Länge die Spulen 1, 2, 3 und 4 locker und gleichachsig gesteckt.
Die Schaltung der Aufnahmespulen 1 bis 4 ist aus der Fig. 4 ersichtlich. Die Spulen 1 und 3 sind so hintereinander geschaltet, dass
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potentiometers 16 verbunden, dessen anderes Ende an den Anfang z der Spule 2 angeschlossen ist. Das Ende k der Spule 2 ist mit dem Ende k der Spule 3 und die Anfänge z der Spulen 1 und 3 sind untereinander mit den Enden des Messpotentiometers verbunden. An die Reiter der Potentiometer 16 und 19 ist die Eintrittsseite des Verstärkers 17 angeschlossen. Die Austrittsseite des Verstärkers 17 ist an die Steuerphase des kleinen zweiphasigen Asynchronmotors 18 angeschlossen, dessen Erregungsphase von der Stromquelle 20 gespeist wird.
Der Motor 18 ist mittels einer mechanischen übersetzung mit dem Reiter des Messpotentiometers 19 verbunden und verschiebt diesen.
Der Fühler nach Fig. 5 besitzt an einer der Flanschen 10 angebrachte Halter 14, die mit einem Gewinde und den Einstellschrauben 15 versehen sind und die den kleinen Arm 6-einklemmen.
Die Wirkungsweise des Fühlers nach den Fig. 1, 2 und 3 ist folgende :
Der Wechselstrom, welcher durch den Körper 5 aus dem Erregungskreis 12 über die Flanschen 10, die Mäntel 8 und die Stirnflächen 9 fliesst, erregt im Körper ein Rotationsmagnetfeld. Dieses Feld wird durch die Wirkung des Drehmomentes Mk2 = P2. L2 deformiert, welches durch die Wirkung der Kraft P2 auf den Arm 6 entsteht. Die durch diese Deformation entstandene Längskomponente des Magnetfeldes induziert in den Spulen 1 und 2 eine Spannung (+ e2) und in den Spulen 3 und 4 eine ebenso grosse gegensinnige Spannung (-e,). Diese Spannung e2 ist also direkt proportional dem Drehmoment Mk2 bzw. der Kraft P2. Durch die Wirkung des Drehmomentes Mkf =Pr.
L" welches durch die an den Armen 7 angreifende Kraft P, gebildet wird, wird das Magnetfeld des Körpers 5 so deformiert, dass in den Spulen 2 und 4 eine Spannung (+e,) und in den Spulen 1 und 3 eine ebenso grosse gegensinnige Span- nung (-ej induziert wird.
Schaltet man nun die Spulen 3 und 4 in den Stromkreis gemäss Fig. 4 ein u.. zw. mit einer Polarität, die jener der Spulen 1, 2 entgegengesetzt ist, so. wird in der Spule 1 die Spannung (e2 - er), in der Spule 4 ebenfalls die Spannung (ezel und in den Spulen 2 und 3 die Spannung (e- + e,) induziert. Im Mittelzweig des Kreises wird also ein Strom fliessen, der dem Unterschied
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proportional ist, wobei R den Ohm'schen Widerstand einer Aufnahmespule, f den Widerstand der Potentiometer und f, und T, die Teile des Widerstandes der Potentiometer bezeichnen. Dieser durch den Verstärker 17 verstärkte Strom setzt den Motor 18 mit dem Reiter des Messpotentiometers 19 in Bewegung.
Die Bewegung des Motors 18 und daher auch des Potentiometerreiters dauert solange an, als der Strom an der Eintrittsseite des Verstärkers 17 nicht gleich Null ist, d. h. solange bis
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Aus dieser Gleichung ist folgendes ersichtlich : stellt man
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wobei x das Verhältnis der Entfernung des Reiters des Potentiometers von der Mitte des-
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des Verhältnisses beider Drehmomente durch das Nullungspotentiometer 16, mit dem man' den Reiter des Messpotentiometers 19 in eine beliebige Ausgangslage verschieben kann.
Dabei sind die beiden Spannungen e, und e2 in gleichem Masse von den Stromschwankungen sowie die Frequenz der Erregungsquelle von ! den Änderungen der Umgebungstemperatur und von andern störenden Einflüssen abhängig, so dass der Einfluss dieser Störfaktoren auf den Verhältniswert-und damit auf das
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! und 1M2 ausgeschaltet bleibt. Die dem Strom im Mittelabzweig des. Kreises proportionale Spannung, welche mittels des Verstärkers 17 verstärkt wird, ist in der Phase gegenüber der Spannung der Speisequelle um 900 verscho- ben. Es ist deshalb nicht notwendig, dass sich im Verstärker eine die Phase der Steuerspannung des Motors 18 verschiebende Einrichtung befindet.
Mit der Einschaltung der Spulen 3 und 4 in den Kreis mit umgekehrter 1 Polarität wird erreicht, dass in den einzelnen Kreisabzweigen der Induktionswiderstand der Spulen 3 und 4 gleich Null ist und dass da-
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her die Spannungen e, und e2 genau in Phase gebracht werden; so dass eine Korrektur ihrer
Phasenlagen nicht erforderlich ist. Die Wär- mekompensation des Widerstandes der Spulen 1 bis 4 (Kupferwieklung) ist mit Rücksicht auf die Widerstände der Spulen R möglich, am einfachsten durch die Wahl eines grossen
Widerstandes des Potentiometers 19. Beim
Messen einer einzigen mechanischen Grösse wird der Fühler mit einem Konsstantmoment Mk, z. B. mit Hilfe der Einstellschrauben 15 gemäss Fig. 5, vorgespannt.
Bei sehr genauen
Messungen ist es notwendig, dass die absoluten
Werte der in den einzelnen Spulen induzierten , Spannungen e2 und e, genau gleich sind. Das wird erreicht, indem man dem Fühler durch
Verdrehung der Stirnflächen 9 der Mäntel 8 eine Vorspannung erteilt, und durch die rich- tige Lage des Kraftangriffes P, in der Mitte des Bügels 13. In manchen Fällen ist es vor- teilhaft, den Fühler konstruktiv so auszu- bilden, dass die Momente Mk, von einem ein- ander entgegengesetzten Sinn sind, d. h., dass auf einem Teil des Fühlers der Moment ! Mk3 ==-Mk, wirkt. Dann werden die Spulen
3 und 4 ausgewechselt, d. h. die Spule 3 wird mit der Spule 1 und die Spule 4 mit der Spule
2 verbunden.
Beim Messen von grösseren Drehmomenten wird der Fühler 5 als Rohr ausgebildet und gemeinsam mit den Spulen 1 bis 4 mit einer durch die Mitte des Rohres geführten toroi- dalen Erregungswicklung ausgestattet. Durch die Erregung des Torosionskörpers 5 in den magnetisch gesättigten Zustand wird die Hysteresis auf dieselbe Art wie bei den andern Torsionsfühlern behoben. Der Fühler gemäss der Erfindung verwandelt eine mechanische Grösse oder ein Verhältnis von zwei mechanischen Grössen sehr genau in eine elektrische Grösse. Er eignet sich besonders für Waagen, da man durch Änderung des Drehmomentes Mk2 mittels der Länge des Armes 6 (L2) oder durch Änderung des Gewichtes P2 ihren Verwendungsbereich in sehr breiten Grenzen ändern kann. Der Fühler ist ferner bei Anzeige- und Registriergeräten verwendbar, die gegen Änderungen in ihrer Umgebung, z.
B. gegen Erschütterungen und gegen Fre- quenz- und Spannungsänderungen der Stromquelle, widerstandsfähig sein sollen und mittels welchen auch im Terrain oder in rauh geführten Betrieben genaue Messungen durchführbar sein sollen.
Einen Sonderfall dieses Fühlers bildet der sogenannte Doppelfü'hler, von dem Fig. 1 eine Hälfte darstellt. Das Moment Mk2 wird durch Dauerverdrehung des Torsionskörpers 5 in den Stirnflächen 9 der Mäntel 8 gebildet. Das
Moment Mk, wird durch Belastung des Armes
6 gebildet, der bei dieser Ausführung in der
Mitte des Fü'hlers angreift. Die Arme 7 und die Spulen 2 und 4 entfallen bei dieser Aus- führung. Die Spulen 1 und 2 sind so wie beim vierfachen Fühler geschaltet. Der Nach- teil dieses Fühlers ist, dass das Moment Mk2 eine konstante Grösse ist, d. h. dass man nur eine mechanische Grösse messen kann. Auch sind zufolge der Eigeninduktion beider Spulen die Spannungen e, und e2 nicht gleichphasig.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromagnetischer Torsionsfühler zur elektrischen Anzeige des Verhältnisses von zwei mechanischen Grössen mit einem auf Drehung beanspruchten, als Stab oder Rohr ausgebildeten ferromagnetischen Torsionskörper, dessen Enden an den Stirnflächen von Mänteln befestigt sind, die fest und leitend mit an einen Erregungskreis angeschlossenen und durch mittels einer Isolierscheibe getrennten Flanschen verbunden sind, wobei in der Mitte des Torsionskörpers ein Arm zur Erzeugung eines Drehmomentes im Torsionskörper befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsionskörper (5) in den Vierteln seiner Gesamtlänge zur Erzeugung eines sein Magnetfeld deformierenden Drehmomentes (Mk,) mit zwei durch einen Bügel (13) verbundenen Armen (7)
versehen ist und dass innerhalb des Mantels (8) vier Induktionspulen (1, 2, 3, 4) locker auf den Torsionskörper (5) zwischen den Armen (6) und (7) gesteckt und derart geschaltet sind, dass das Ende (k) einer äusseren Spule (1) mit dem Ende (k) der andern äusseren Spule (4) verbunden ist, deren Anfang (z) mit dem Ende eines Potentiometers (16) verbunden ist, dessen anderes Ende an den Anfang (z) einer inneren Spule (2) angeschlossen ist, deren Ende (k)
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potentiometers (19) verbunden sind, dessen Reiter gemeinsam mit dem vorzugs- 1 weise in Mittelstellung befindlichen Reiter des Nullungspotentiometers (16)
an den Eingang des Verstärkers (17) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit der Steuerwicklung des Servomotors (18) verbunden ist, der den Reiter des 1 Potentiometers (19) verschiebt.
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