Elektrische Anordnung mit einem zwischen zwei Übertragern geschalteten elektrischen Fühlorgan. Die Erfindung bezieht sich auf eine elek trische Anordnung mit einem zwischen zwei Übertragern geschalteten elektrischen Fühl organ, dessen Übertragungsmass von einer zu erfassenden physikalischen Grösse so beein- flusst wird, @dass bei Speisung des ersten Übertragers :
mit 'einer Wechselspannung kon stanter Amplitude am Ausgang des zweiten Übertragers eine von der genannten Grösse abhängige Spannung auftritt.
Bei derartigen Anordnungen können durch die Wirkung des magnetischen Feldes des ersten Übertragers: auf den zweiten Über trager beträchtliche Messfehler *verursacht werden. Um dies zu vermeiden, -wird nach der Erfindung vorgeschlagen, elektrische Mit tel vorzusehen, :durch welche die im zweiten Übertrager durch das- Feld des ersten Über- i:ragers, induzierte Spannung wenigstens an genähert kompensiert wird.
Im folgenden werden Aueführungs.beispie'le der Erfindung an Hand der Zeichnung erläu tert, bei denen es sich. um Vorrichtungen zur Messung des von einer Welle übertragenen Drehmomentes handelt, und zwar zeigt: Fig. 1 schematisch den konstruktiven Aufbau der Einrichtung, Fig. 2 das Schaltschema der Einrichtung nach Fig. 1, und Fig. 3 und 4 stellen weitere Ausführungs formen dar.
In den dargestellten Ausführungsformen soll das von einer in Lagern 11, 12 laufenden Welle 10 übertragene Drehmoment gemessen werden. Die Welle 10 wird von einem Mo tor 13 über einen Antriebsriemen 14 und Rie menscheiben 15, 16 angetrieben und über trägt ihrerseits mittels der getriebenen Rie menscheibe 17 und dem Riemen 18 ein Dreh- nio@ment auf eine nicht dargestellte Belastung.
Um, dae von der Welle 10 übertragene Drehmoment zu messen, ist auf ihr ein auf ihre Torsion ansprechendes Mittel 20 befe stigt, ;das bei den, beschriebenen Ausführungs beispielen aus elektrischen Beanspruchungs- messern (im folgenden kurz Glieder ge nannt) besteht, deren Widerstand sich in Ab hängigkeit von auf sie ausgeübtem Druck bzw.
Zugkräften ändert. Vorteilhaft werden hierzu vier Beanspruchungsmesser der in der amerikanischen Patentschrift Nr. 2292541 be schriebenen Art verwendet; sie sind in Fig. 2 mit 21, 22, 23, 24 bezeichnet. Diese Bean- spruchungsmesser bilden die vier Zweige einer Wheatstoneschen Brücke und sind auf die Welle 10 so aufgekittet, dass sie mit einer Erzeugenden der Welle einen Winkel von 45 bilden.
Das eine aus .diametral gegenüber liegenden Beanspruchungsmessern gebildete Paar wird auf Zug, das andere auf Druck beansprucht.
Diese Anordnung spricht praktisch nur 'auf Torsiousbeanspruchungen der Welle an. Wenn das eine Gliederpaar 21, 23 auf Zug beansprucht wird, wird das andere 22, 24 auf Druck beansprucht, wobei .der Widerstand der Glieder 21 und 23 grösser und der Wider stand :der Glieder 22 und 24 kleiner wird, so dass sich die beiden Wirkungen addieren und hierdurch eine grosse Empfindlichkeit der Wheatstoneschen Brücke erreicht wird.
Das die Wheatstonesche Brücke enthal tende Fühlorgan 20 wird von einem ersten Übertrager 25, 26 gespeist. Dessen. ortsfeste Primärwicklung 25 ist in der Zeichnung als Ringspule dargestellt und wird vorzugsweise m it der Welle 10- koaxial angeordnet.
Die in der Wicklung 26 induzierte Spannung wird über die Leitungen 28, 29 an das Fühlorgan 20 gelegt. Die von diesem übertragene Span nung bzw. die Stromstärke in den Leitungen 30, 31 ändert sich entsprechend der Wider- standsänderun.g der Glieder 21 bis 24.
Im Ausgangsstromkreis ist ebenfalls durch eine Manschette oder Nabe 33 eine Wicklung 32 auf der Welle 10 befestigt. Im Induktions bereich der Wicklung 32 ist eine ortsfeste Wicklung 34 angeordnet, die mit ihr den zweiten Übertrager bildet. Die von der Wick lung 32 in, der Wicklung 34 induzierte Span nung kann .durch verschiedene Mittel gemes sen, aufgezeichnet oder zu Steuerungszwecken verwendet, z. B. einem empfindlichen Volt meter zugeführt werden.
Beim vorliegenden Beispiel wird ein Röhrenvoltmeter 36 ver- ivendet.
Die Wicklung 25 wird aus irgendeiner Wechselstromquelle gespeist. Die beiden Übertrager 25, 26 und 33, 34 sind durch die uTelle 10 magnetisch gekoppelt, was- in der Fig. 2 schematisch mit den Doppellinien 10a angedeutet ist. -Obwohl der magnetische Kreis zwischen .den beiden Übertragern über Luft geschlossnen ist, ist das magnetische Feld des Eingangsübertragers stark genug, um die Ausgangsspannung der Wicklung 34 zu be einflussen.
Um die im zweiten Übertrager 32, 34 durch das magnetische Feld des ersten Über tragers induzierte Spannung zu kompensie ren, wird bei der Ausführungsform nach den F'ig.1 bis 3 eine Spule 40 entsprechend: ange ordnet und erregt.
Im Ausführung beispiel nach F'ig.1 ist die Spule 40 zwischen den Übertragern 25, 26 und 32, 34 angeordnet, jedoch kann sie auch jenseits derselben oder in einem seit lichen Abstand von der Welle 10 angebracht werden.
Die Spule 40 wird vom Osizillator 38 über ein Potentiometer 41 gespeist. Durch Verschieben des Schleifkontaktes am Wider stand 41 wird die Stärke der Erregung der Primärwicklung 25 einerseits und der Kom- pensationsspule anderseits im entgegengesetz ten Sinne gesteuert.
Der Widerstand 41 wird so eingestellt, dass die Wirkung des magnetischen Feldes des Übertragers 25, 26 in der Umgebung des Übertragers 32, 34 kompensiert wird.
Das von .der Spüle 40 erzeugte Feld muss das vom Transformator 25, 26 herrührende kom@enssieren, also gleiche Grösse, aber ent gegengesetzte Phase haben. Mit dem einstell baren Kondensator 42 kann die Phase des Stromes und damit diejenige .des magneti schen Feldes der Spule 40 eingestellt werden. Durch entsprechende Einstellung ,der Kapazi tät 42 und des Widerstandes 41 kann so die gewünschte Kompensation erzielt werden.
Vor dem Auftreten einer mechanischen Beanspruchung ist die Spannung an der Pri märrichtung 32 Null, weil' die vier Glieder 2'1 bis 24 gleiche Widerstände haben. Bei Belastung der Welle steigt diese Spannung entsprechend ihrer Torsion an. Das Röhren- voltmeter <B>N</B> kann direkt für T'orsionsbean- spruchun'g oder in mkg geeicht sein.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fi,g. 3 kommen zwei, Fühlorgane 210 und b5 zur An- wendung, wobei :
das Zusammenwirken des Eingangsübertragers 2'5, 26 und des Aus gangsübertragers<B>312,</B> 34 mit dem Fühlorgau 20 -das gleiche bleibt wie in dem bereits be- schrie'benen-Aueführungsbeis.pied.. Das zweite F'ühlorgan 5,5 kann auch zur Messung von andern mechanischen Beanspruchungen, wie Schub-, Axial- und Biegunbkräften, von Temperaturänderungen oder andern Verän derungen,
die Gegenstand einer Untersuchung eines rotierenden Organs bilden können, die nen, Der Ausgang des Fühlorga.us M ist mit einem zweiten Ausgangsübertrager 56, 5 7 verbunden. Die Komperusationsspule 40@ kann wegen: ,der örtlichen Anord nung -der Übertrager 32, 34 und 5,6, 57 nicht gleichzeitig in bezug auf beide Übertrager verwendet werden.
In den Zuleitungen des Widerstandes 41 wird. jedoch ein solcher Schalter 58 vorgesehen,, der es ermöglicht, in einer Schaltstelaung das magnetische Feld in der Umgebung des Übertrabers 56, 57 und in der zweiten Stellung dasjenige in der Umgebung des Übertragers 3'2, 34 zu kom pensieren. Entsprechende Änderungen der Kapazität 42 sind ebenfalls vorgesehen.
Durch diese Anordnung kann also (zeitlich nacheinander) mit einer einzigen Spule das Magnetfeld an verschiedenen Orten kompen siert werden.
Die Kompensationsspsule kann in der Umgebung der Ein- oder Ausgangsübertrager beliebig, z. B. wie die in F'ig. 3 gestrichelt angedeutete Spule 40a, angeordnet sein.
Die im Fühllorgan 20 verwendeten, auf Zug- und Druckkräfte ansprechenden Wider stände sind mit vorbestimmten Werten er hältlich und können .durch Bindemittel mit der Welle in beliebiger Anordnung verbun den werden. Die. Wirksamkeit.der Wheatstone- schen Brücke oder einer andern an ihrer Stelle verwendeten abglei,
chbarenSchaltung wird durch anfäuglieh bestehende Unter schiede zwischen den Werten der Wider stände 21 bis 2'4 oder durch im Laufe der Zeit auftretende Grö3enjänderungen aderselben nicht. in Frage gestellt.
Die die Spule 40 enthaltende Schaltung erlaubt nämlich vor jeder Inbetriebnahme eine Nacheichung der M essstromkreise. Eine im Anfangszustand unausgegliohene Brücke 2(0 kann durch ent sprechende Einstellung des Widerstandes. 41 und :der Kapazität 42; ausgeglichen und dieser Zustand durch Nullstellung des Voltmeters 36 festgestellt werden.
Bei -der A.u sführungsform nach Fig. 4 wird die :durch das Feld des ersten übertra.- l;ers im zweiten Übertrager induzierte Span- nung nieht,durch eine gleichfalls induzierte, sondern durch eine ,direkt zugeführte Span nung kompensiert. In Fig. 4 sind entspre chende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in den Fig. 1 bis 3.
Vom Oszil- lator 38 wird der Primärwicklung 25 Strom geeigneter Frequenz, z. B. von 20 000 Hz, zugeführt. Die Sekundärwicklung 216 ist. mit .dem .durch ein Rechteck 20, -dargestellten Fühlorgan verbunden, dessen Ausgangs- spannung wieder an der rotierenden A.us- gangs.pritmärwicklung <B>32</B> liegt.
Zur Kompensation der induktiven Wir- kungdes: vom Eingangsübertrager 25, 26 er zeugten magnetischen Feldes auf den Aus gangsübertrager 32, 34 sind hier mehrere Massnahmen vorgesehen. Hierzu dient vor allem eine am einstellbaren Widerstand 41 abgegriffene Spannung, die über das Volt meter 36 -der Sekun:därwicklun.g des Aus- gangsübertragers zugeführt wird. Die Ka pazitäten 42 und 69 steuern die Phase dieser Spannung.
Der bewegliche Kontakt 6,8 und .die Kapazität 4,2 werden .so eingestellt, da'ss diese Zusatzspannung von gleicher Grösse und entgegengesetzter Phase ist wie die von .dem magnetischen Feld des Eingangsübertragers 25, 26 induzierte. Anfänglich, vor der Be lastung der Welle 10, wird ein Oszill.oskop 70 parallel zum Volftmeter 36 geschaltet, das zur Einstellung der Phasenverschiebungsimit- tel 41, 42 benützt wird.
Weiter können um die Welle 10 kurzge- schlossene Windungen 71 und 72 vorgesehen sein. Der in der Welle von dien Spulen 2,5 und 26 erzeugte magnetische Fluss wird durch diese kurzgeschlossenen Windungen 71 und 72 teilweise kompensiert und dadurch seine Wirkung auf die Spulen 321 und 3'4 weit gehend geschwächt. Um .diesen magnetischen Fluss zu verkleinern,
können magnetisclhe Ab schirmungen 73 und 74 zwischen den Ein- und Ausgangsübertrager angeordnet sein. Diese Abschirmungen können aus Eisenoder einer ferromagnetis,chen Legierung bestehen. Um die Wirkung des elektrischen Feldes möglichst klein zu ha.'lten, sind zusätzlIche Abschirmungen 75, 76 vorgesehen, Diese be- stehen aus einem elektrisch gut leitenden Material, z. B. Kupfer.
Auf den den Ab- schirmungen 73' und 76 gegenüberliegenden Spulenfläahen können zusätzliche Ab,sGhir- mungen 77 und 78 aus Kupfer vorgesehen sein.
In ähnlicher Weise können noch wei tere magnetische Abschirmungen vorgesehen werden.. Durch diese zusätzlichen Abschir- mungen werden die im Ausgangsübertrager 3,2, 34 induzierten Spannungen auf ein Min destmass reduziert.
Die Frequenz der Wechselstromquelle wird vorzugsweise im Bereich von. 60 bis 1!0 000 Hz .gewählt. Die niedrigen Frequenzen ergeben einen gleichmässiger verteiltenFluss in der Welle 10,
während bei höheren Fre quenzen der Skineffekt in den Vordergrund tritt. Für die höheren Frequenzen kommt daher vorteilhaft nichtmagnetisches. Material zur Anwendung. Sie werden auch für Dreh- momentmessungen, die vom Werkstoff der Welle weitgehend unabhängig sind, verwen det.
Der Abstand zwischen Aden Übertragern ist in den Figuren übertrieben gross b zeieh- net, um eine -deutlichere Darstellung zu er mögliehen. Die Wicklungen 32, 34 des Aus gangsübertragers müssen: nicht unbedingt die gleichen Dimensionen wie diejenigen -des Ein- gangsübertragers. haben.
Bei den 'beschriebenen Me3anordnungen sind keine leitenden. Kontakte zwischen, um laufenden und ortsfesten; Wicklungen vorhan den. Demzufolge ist der Aufwand für In- standhaltung nur gering. Für sehr hohe Drehgeschwindigkeiten empfiehlt sich, in folge der dann auftretenden. Zen4rifugal- kräfte, möglichst kleine Spulen zu, verwen den.
Die Einriehtung kann., vorausgesetzt, dass entsprechende Abdeckungen der Spulen vorgesehen sind, auch in korrosiven Flüssig- keiten, z. B. Meerwasser, oder in eäurehalti- ger Atmosphäre verwendet werden,
Electrical arrangement with an electrical sensing element connected between two transformers. The invention relates to an electrical arrangement with an electrical sensing element connected between two transformers, the transfer rate of which is influenced by a physical variable to be detected in such a way that when the first transformer is fed:
with an alternating voltage of constant amplitude at the output of the second transformer, a voltage dependent on said variable occurs.
In such arrangements, the effect of the magnetic field of the first transmitter: On the second transmitter, considerable measurement errors * can be caused. In order to avoid this, it is proposed according to the invention to provide electrical means by which the voltage induced in the second transformer by the field of the first transformer is at least approximately compensated.
In the following, embodiments of the invention are explained with reference to the drawing, which are. are devices for measuring the torque transmitted by a shaft, namely: Fig. 1 schematically shows the structural design of the device, Fig. 2 is the circuit diagram of the device according to Fig. 1, and Figs. 3 and 4 represent further execution forms.
In the illustrated embodiments, the torque transmitted by a shaft 10 running in bearings 11, 12 is to be measured. The shaft 10 is driven by a motor 13 via a drive belt 14 and pulleys 15, 16 and, in turn, by means of the driven pulley 17 and the belt 18, carries a rotational force to a load not shown.
In order to measure the torque transmitted by the shaft 10, a means 20 responding to its torsion is attached to it, which in the embodiments described consists of electrical strain gauges (hereinafter referred to as links), their resistance depending on the pressure or
Tensile forces changes. To this end, four strain gauges of the type described in American Patent No. 2292541 are advantageously used; they are designated by 21, 22, 23, 24 in FIG. These strain gauges form the four branches of a Wheatstone bridge and are cemented onto the shaft 10 in such a way that they form an angle of 45 with a generatrix of the shaft.
One pair made of diametrically opposed strain gauges is subjected to tension, the other to compression.
This arrangement practically only responds to torsional loads on the shaft. When one pair of links 21, 23 is subjected to tensile stress, the other 22, 24 is subjected to compression, whereby the resistance of the links 21 and 23 is greater and the resistance is: the links 22 and 24 are smaller, so that the two become Add the effects and thereby a great sensitivity of the Wheatstone bridge is achieved.
The sensing element 20 containing the Wheatstone bridge is fed by a first transformer 25, 26. Whose. Fixed primary winding 25 is shown in the drawing as a ring coil and is preferably arranged coaxially with shaft 10.
The voltage induced in the winding 26 is applied to the sensing element 20 via the lines 28, 29. The voltage transmitted by this or the current strength in the lines 30, 31 changes according to the change in resistance of the elements 21 to 24.
In the output circuit, a winding 32 is also attached to the shaft 10 by a sleeve or hub 33. In the induction area of the winding 32 a stationary winding 34 is arranged, which forms the second transformer with it. The voltage induced by winding 32 in, winding 34 can be measured, recorded or used for control purposes by various means, e.g. B. be fed to a sensitive volt meter.
In the present example, a tube voltmeter 36 is used.
The winding 25 is fed from any source of alternating current. The two transducers 25, 26 and 33, 34 are magnetically coupled by the uTelle 10, which is indicated schematically in FIG. 2 by the double lines 10a. Although the magnetic circuit between the two transformers is closed by air, the magnetic field of the input transformer is strong enough to influence the output voltage of the winding 34.
In order to compensate for the voltage induced in the second transformer 32, 34 by the magnetic field of the first transformer, in the embodiment according to FIGS. 1 to 3 a coil 40 is arranged and excited accordingly.
In the embodiment according to FIG. 1, the coil 40 is arranged between the transformers 25, 26 and 32, 34, but it can also be attached on the other side of the same or at a lateral distance from the shaft 10.
The coil 40 is fed by the oscillator 38 via a potentiometer 41. By moving the sliding contact on the resistance 41, the strength of the excitation of the primary winding 25 on the one hand and the compensation coil on the other hand is controlled in the opposite sense.
The resistor 41 is set in such a way that the effect of the magnetic field of the transducer 25, 26 in the vicinity of the transducer 32, 34 is compensated.
The field generated by the sink 40 must match that originating from the transformer 25, 26, that is to say it must have the same size but opposite phase. With the adjustable capacitor 42, the phase of the current and thus that of the magnetic field of the coil 40 can be adjusted. By appropriate setting, the capacity 42 and the resistor 41, the desired compensation can be achieved.
Before mechanical stress occurs, the tension on the primary direction 32 is zero because 'the four members 2'1 to 24 have the same resistance. When the shaft is loaded, this tension increases according to its torsion. The tube voltmeter <B> N </B> can be calibrated directly for torsion loads or in mkg.
In the embodiment according to Fi, g. 3, two sensory organs 210 and b5 are used, whereby:
the interaction of the input transformer 2'5, 26 and the output transformer <B> 312, </B> 34 with the Fühlorgau 20 - remains the same as in the already described implementation example. The second F ' ühlorgan 5.5 can also be used to measure other mechanical loads, such as shear, axial and bending forces, temperature changes or other changes,
The output of the Fühlorga.us M is connected to a second output transformer 56, 5 7 which can form the subject of an investigation of a rotating organ. The Komperusationsspule 40 @ can not be used at the same time with respect to both transformers because of: the local arrangement -the transformers 32, 34 and 5, 6, 57.
In the leads of the resistor 41 is. However, such a switch 58 is provided, which makes it possible to compensate for the magnetic field in the vicinity of the transmitter 56, 57 and in the second position that in the vicinity of the transmitter 3'2, 34 in a switching position. Corresponding changes to the capacity 42 are also planned.
This arrangement allows the magnetic field to be compensated at different locations with a single coil (one after the other).
The compensation coil can be used anywhere in the vicinity of the input or output transformer, e.g. B. as in Fig. 3 coil 40a indicated by dashed lines.
The resistors used in the sensing element 20 and responding to tensile and compressive forces are available with predetermined values and can be connected to the shaft in any desired arrangement by means of binding agents. The. Effectiveness of the Wheatstone bridge or another equivalent used in its place,
A chable switching is not possible due to initially existing differences between the values of the resistors 21 to 2'4 or due to changes in the size of the resistors that occur over time. questioned.
The circuit containing the coil 40 allows the measurement circuits to be recalibrated before each start-up. A bridge 2 (0 which is not balanced in the initial state) can be compensated for by setting the resistance 41 and: the capacitance 42; and this state can be determined by setting the voltmeter 36 to zero.
In the embodiment according to FIG. 4, the voltage induced by the field of the first transmitter in the second transmitter is not compensated for by a voltage that is also induced, but by a directly supplied voltage. In Fig. 4 corre sponding parts are provided with the same reference numerals as in FIGS. 1 to 3.
From the oscillator 38, the primary winding 25 receives a current of a suitable frequency, e.g. B. of 20,000 Hz supplied. The secondary winding 216 is. Connected to the sensing element shown by a rectangle 20, the output voltage of which is again applied to the rotating output primary winding 32.
To compensate for the inductive effect of the magnetic field generated by the input transformer 25, 26 on the output transformer 32, 34, several measures are provided here. For this purpose, a voltage tapped at the adjustable resistor 41 is used, which is supplied via the voltmeter 36 - the secondary winding of the output transformer. The capacities 42 and 69 control the phase of this voltage.
The movable contact 6, 8 and the capacitance 4, 2 are set so that this additional voltage is of the same magnitude and phase opposite to that induced by the magnetic field of the input transformer 25, 26. Initially, before the shaft 10 is loaded, an oscillator 70 is connected in parallel to the volume meter 36, which is used to set the phase shift limits 41, 42.
Furthermore, turns 71 and 72 short-circuited around the shaft 10 can be provided. The magnetic flux generated in the shaft by the coils 2, 5 and 26 is partially compensated for by these short-circuited turns 71 and 72 and its effect on the coils 321 and 3'4 is thereby largely weakened. To reduce this magnetic flux,
Magnetic shields 73 and 74 can be arranged between the input and output transformers. These shields can be made of iron or a ferromagnetic alloy. In order to keep the effect of the electric field as small as possible, additional shields 75, 76 are provided. These are made of a material with good electrical conductivity, e.g. B. Copper.
Additional shields 77 and 78 made of copper can be provided on the coil surfaces opposite the shields 73 'and 76.
In a similar way, further magnetic shields can be provided. These additional shields reduce the voltages induced in the output transformer 3, 2, 34 to a minimum.
The frequency of the AC power source is preferably in the range of. 60 to 1! 0 000 Hz. Selected. The low frequencies result in a more evenly distributed flow in wave 10,
while at higher frequencies the skin effect comes to the fore. For the higher frequencies, therefore, it is advantageous to use non-magnetic. Material for application. They are also used for torque measurements, which are largely independent of the shaft material.
The distance between Aden transformers is exaggerated in the figures in order to enable a clearer representation. The windings 32, 34 of the output transformer must: not necessarily have the same dimensions as those of the input transformer. to have.
In the measurement arrangements described, there are no conductive. Contacts between in order to permanent and stationary; Windings available. As a result, the maintenance effort is low. For very high rotational speeds it is advisable to follow the then occurring. Use centrifugal forces to keep the coils as small as possible.
Provided that appropriate covers are provided for the coils, the device can also be used in corrosive liquids, e.g. B. sea water, or in an acidic atmosphere,