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Vorrichtung zur Messung kleiner Verschiebungen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die zur Messung kleiner Verschiebungen gegeneinander beweglicher Körper bestimmt ist. Sie kann beispielsweise als hochempfindliche Fernanzeigevorrichtung für die Änderung der Stellung eines Flüssigkeitsspiegels oder von durch die Temperatur beeinflussten Körpern dienen. Bei bekannten Einrichtungen dieser Art wurde durch einen der sich verschiebenden Körper ein Schlussstück eines U-förmigen, eine Wicklung tragenden Magneten in seiner Lage zu diesem verändert, so dass ein durch die Wicklung geschickter Wechselstromfluss eine entsprechende Änderung erfuhr, die an einem amperemetrischen oder voltmetrischen Instrument zur Anzeige gebracht wurde.
Diese Einrichtungen waren derart ausgebildet, dass sie verlässliche Anzeigen nur bei verhältnismässig grossen Verschiebungen ergeben konnten. Die Erfindung soll insbesondere zur Bestimmung des Drehmoments umlaufender Wellen verwendet werden.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Verdrehung einer Welle auf elektrischem Wege
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seitige Stellung bestimmte, der Verdrehung der Wellenquerschnitte entsprechende Ausschläge eines Messinstrumentes bewirkt. Derartige Einrichtungen werden durch die Unsicherheit der Kontakte ungünstig beeinflusst ; auch ist eine stetige Angabe am Messgerät nur bei Verwendung einer unverhältnismässig grossen Anzahl von Kontakten erreichbar. Es ist ferner vorgeschlagen worden, die durch eine Welle übertragene Arbeit entsprechend der Verdrehung zweier Querschnitte zu messen, wobei an den entsprechenden Querschnitten Synchronmaschinen angeordnet sind, deren einem Messgerät zugeführte Ströme entsprechend der Verdrehung der Welle gegeneinander in der Phase verschoben sind.
Das Messgerät wird gleichzeitig von einer der Drehzahl der Welle proportionalen, beispielsweise durch einen besonderen Generator erzeugten Spannung beeinflusst, so dass es die durch die Welle übertragene Arbeit anzeigt. Es ist ferner vorgeschlagen
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geregelt wird, die ebenfalls von zwei, eine Verdrehung gegeneinander erfahrenden Punkten der Welle angetrieben werden und die Erregerstromstärke entsprechend der Wellenverdrehung regeln. Während die Messvorrichtung mit den beiden Synchronmaschinen etwas teuer und umständlich ist, macht die zuletzt beschriebene wieder von Kontaktvorrichtungen Gebrauch, deren Verwendung zuweilen aus praktischen Gründen zu Schwierigkeiten Anlass gibt.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Nachteile dadurch vermieden, dass mit den gegeneinander verdrehten Teilen der Welle gleichzeitig die Selbstinduktion zweier Spulen in der Weise geändert wird, dass der Wechselstromwiderstand einer Spule grösser, der andere gleichzeitig kleiner wird. Das Verhältnis der beiden Ströme in den mit Wechselstrom gespeisten, parallel an die Spannung gelegten Spulen wird mit einem geeigneten Instrument gemessen. In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Die Fig. i und 2 stellen eine Vorrichtung zur Messung des Verdrehungswinkels oder des übertragenen Drehmoments einer Welle 1 in Seitenansicht und Querschnitt dar. Als Mass für die Verdrehung sind zwei Querschnitte A und B festgesetzt. An der Stelle des Querschnittes A ist ein Rohr 2 einseitig befestigt, dessen freies Ende mit einer aus Eisen bestehenden Nase 3 in die Ebene des Querschnittes B reicht. Beiderseits dieser Nase, jedoch in gewissem Abstand davon, sind auf der Welle 1 zwei gegeneinander gekehrte U-förmige Eisenkörper 4 und 5 mit Wicklungen 6 und 7 angeordnet, deren Befestigungspunkt dem Querschnitt B entspricht.
Ein Meissgerät enthält in einem durch einen Elektromagneten 11 erzeugten Feld zwei Kreuzspulen 12 und 13, die einerseits gemeinsam an den einen Pol 14 der auch den Erregerstrom des Magneten 11 liefernden Wechselstromquelle 15 angeschlossen, andrerseits durch Bürsten 16, 17 mit zwei Schleifringen 9 und 10 auf der Welle 1 verbunden sind. Über einen dritten Schleifring 8 wird mittels einer Bürste 18 der andere Pol der Wechselstromquelle 19 gemeinsam an das eine Ende der Spulen 6 und 7 gelegt, deren andere Enden mit den Schleifringen 9 bzw. 10 verbunden sind. Die Schaltung bzw. der Wicklungssinn der Spulen 6 und 7 ist ein derartiger, dass sie in der mit dem Rohr 2 verbundenen Nase 3 entgegengesetzt wirkende Kraftflüsse zu erzeugen streben.
Wenn die Welle 1 keine Arbeit überträgt und mithin keine Verdrehungen erfährt, befindet sich die Nase 3 genau in der Mitte zwischen den beiden Elektromagneten 4 und 5. Es sind dann sämtliche Luftstrecken in dem magnetischen Kreis einander gleich und entsprechend den ent-
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gegengesetzt gerichteten magnetomotorischen Kräften heben sich die Kraftlinien in der Nase 3 auf. Demzufolge nehmen beide Spulen 6 und 7 dieselben Ströme auf, die Kreuzspulen 12, 13 des Messinstrumentes halten einander das Gleichgewicht. Verschiebt sich dagegen die Nase 3 infolge einer Verdrehung der Welle nach der einen oder anderen Seite, so ändern sich die ma- magnetischen Widerstände in den beiden Kreisen und dementsprechend wird der von der einen
Spule aufgenommene Strom grösser, der von der anderen kleiner.
Das Kreuzspulensystem erfährt eine Verdrehung in seinem Feld, die proportional der Verschiebung der Nase 3 und damit der
Verdrehung der Welle ist. Das Messgerät kann unmittelbar in Einheiten des Verdrehungswinkels oder des Drehmoments geeicht werden.
Fig. 3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, mit dem Schwankungen des Drehmoments an der umlaufenden Welle und damit deren Ungleichförmigkeitsgrad gemessen werden kann. Das Elektromagnetsystem entspricht dem nach Fig. i. Es wirken zwei mit
Wicklungen 6 und 7 versehene U-förmige Eisenkörper 4 und 5, die beispielsweise unmittelbar an der Welle 1 befestigt sind, mit einem an dem Rohr 2 angeordneten Nebenschlussstück 3 zusammen. Dieses trägt aber eine Wicklung 28, an die ein amperemetrisches Wechselstrom- Messgerät über Schleifringe 45, 44 und Bürsten 45, 46 angeschlossen ist. Insbesonde e empfiehlt es sich, mit der Wicklung 28, die sich zwischen den Polen eines Magneten 30 bewegende Schleife 29 eines Oszillographen zu verbinden.
Die Spulen 6,7 sind an eine Gleichstrom quelle 27 angeschlossen.
Auch kann man an Stelle der Elektromagnete 4 und 5 Dauermagnete verwenden. Sofern die umlaufende Welle rasch aufeinander folgende Schwankungen des Drehmoments erfährt, äussern diese sich in einer hin und her schwankenden Bewegung des magnetischen Nebenschlussstückes 3.
Hierbei werden in der Wicklung 28 elektromotorische Kräfte induziert, die in ihrem Verlauf durch den Oszillographen genau angezeigt werden. Ein anstatt des Oszillographen verwendetes einfaches Wechselstrom-Messgerät zeigt durch seinen dauernden oder pendelnden Ausschlag das Mass der Änderungen des Drehmoments an.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Messeinrichtung angezeigt, mit der ohne weiteres die durch die Welle übertragene Leistung festgestellt werden kann. Es wird dabei das voltmetrische Messgerät 30 von zwei Grössen beeinflusst, von denen die eine der Verdrehung der Welle, die andere der Umlaufzahl der Welle entspricht. Mit der Welle 1 sind wie bei der Anordnung nach Fig. 3 Eisenkörper 4 und 5 fest verbunden, die Spulen 6 und 7 tragen. Zwischen den Eisenkörpern ist ein magnetisches Nebenschlussstück 3 bewegbar, das an dem von der Wellenverdrehung an dem Querschnitt A beeinflussten Rohr 2 befestigt ist. Die Wicklungen 6 und 7 sind in Reihe an Schleifringe 31 und 32 angeschlossen, denen über Bürsten 33, 34 ein synchron zur Wellendrehung schwingender Wechselstrom zugeführt wird.
Dieser Wechselstrom wird in einem auf die Wellenachse aufgesetzten Generator erzeugt. Dieser Generator besteht im vorliegenden Beispiel aus einer Scheibe 35 mit Eisenzähnen, die sich an den Polen eines Magneten 36 vorbeibewegen und somit den magnetischen Widerstand ändern. Der Magnet 36 wird durch einen eine Wicklung 37 durchfliessenden Gleichstrom erregt. An dieselbe Wicklung sind über einen Kondensator 39 die Bürsten 33, 34 angeschlossen. Das Messgerät 30 ist über Bürsten 40, 41 an die Schleifringe 31 und 42 angeschlossen, die mit einer auf dem magnetischen Nebenschlussstück 3 vorgesehenen Wicklung 28 in Verbindung stehen.
Befindet sich das Nebenschlussstück 3 in der Mitte zwischen den beiden Elektromagneten 4 und 5, so sind die Luftstrecken in den magnetischen Kreisen einander gleich und die im Schlussstück verlaufenden Kraftlinien heben sich auf. Es wird mithin in der Wicklung 28 kein Strom induziert. Verschiebt sich dagegen infolge einer Verdrehung der Welle der Nebenschluss 3 nach der einen oder anderen Seite, so verändern sich die magnetischen Widerstände in dem magnetischen Kreis und es entsteht in dem Schlussstück ein Kraftfluss, der entsprechend elektromotorische Kräfte in der Wicklung 28 erzeugt, deren Grösse an dem Messgerät 30 bestimmt wird.
Der Wert der induzierten elektromotorischen Kräfte ist, wie Versuche ergeben haben, in weitem Bereich proportional der Verstellung des magnetischen Nebenschlusses, vorausgesetzt, dass die Luftspalten so gross gemacht sind, dass sie im wesentlichen allein für den Widerstandswert der magnetischen Kreise in Betracht kommen. Die elektromotorischen Kräfte sind ferner aber auch proportional der Umdrehungszahl der Welle, da durch diese die Stärke des die Wicklungen 6 und 7 durchfliessenden Erregerstromes bestimmt wird. Mithin ergeben die Ausschläge an dem Messgerät 30 ein Mass für die durch die Welle übertragene Arbeit und die Eichung des Messgerätes kann unmittelbar in Arbeitseinheiten erfolgen.
Es kann für die Bestimmung der übertragenen Arbeit auch die Einrichtung nach Fig. i gewählt werden, wonach das Nebenschlussstück 3 keine Wicklung trägt und bei seiner Verstellung nur den magnetischen Widerstand der beiden magnetischen Kreise und damit die Stromaufnahmefähigkeit der Wicklungen 6 und 7 ändert. Zur Messung dient ein Messinstrument mit Kreuzspulen. Der Unterschied gegenüber der Einrichtung nach Fig. i besteht nun darin, dass zur Erzeugung des Wechselstromes ein in Übereinstimmung mit der Umdrehungszahl der Welle umlaufender Generator, beispielsweise der in Fig. 4 veranschaulichten Art, benutzt wird.
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Bei den Messinstrumenten, in denen die dem Drehmoment und die der Umlaufzahl der Welle entsprechenden elektrischen Grössen getrennt in Spulensystemen wirken, ist dafür Sorge zu tragen, dass die in den verschiedenen Systemen fliessenden Ströme in stets gleicher Phase schwingen, was durch die Anordnung von Kunstphasen o. dgl. erreicht werden kann. An Stelle des Wechselstromgenerators kann auch eine Gleichstromquelle mit Kondensatoren verwendet werden, der mit Hilfe einer von der Welle angetriebenen Umschaltvorrichtung einzelne Stromstösse entnommen werden.
PATENT-ANSPRUCHS : i. Vorrichtung zur Messung kleiner Verschiebungen, bei der Teile eines magnetischen Kraftlinienweges ihre gegenseitige Lage verändern und die hierdurch bewirkte Änderung des Kraftlinienflusses als Mass der Verschiebung an einem elektrischen Messinstrument zum Ausdruck gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstinduktion zweier Spulen in der Weise geändert wird, dass die eine grösser wird, wenn die andere kleiner wird, und das Verhältnis der beiden Ströme in den mit Wechselstrom gespeisten, parallel an die Spannung gelegten Spulen mit einem geeigneten Instrument gemessen wird, so dass die Zeigerbewegung ein Mass für die Verschiebung ist.