Einrichtung zur elektrischen Messung mechanischer Grössen. Die Erfindung bezieht sich auf eine Ein richtung zur elektrischen Messung meehani- seher Grössen, unter Verwendung eines Trans formators, dessen Gegeninduktivität zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung vom Wert der zu messenden Grösse abhängig ist, so dass sich bei gegebenem Primärstrom die Sekundärspannung mit der zu messenden Grösse ändert.
Einrichtungen dieser Art. kön nen zum Beispiel für die Messung von Druck, Verschiebung, Drehmoment, oder andern ähn lichen meehanisehen Grössen verwendet. wer den oder für die Messung der Dicke von nicht ferromagnet.ischen Schichten auf ferromagne- tischem Material.
Bei Einrichtungen dieser Art war es bis her üblich, die Sekund@'ärspannung nach Gleichrichtung in einem Gleichstrominstru- ment zu messen. Die Verwendung von CTleieh- richtern und speziell von Trockengleichrich tern bringt. als Folge der Inkonstanz der Kennlinien der Gleichrichter, die nicht auf einfache Weise kompensiert werden kann, ge wisse Nachteile mit sich, was einen hohen Genauigkeitsgrad bei der Messung ausschliesst.
Im weiteren erschwert- die Verwendung von Gleichrichtern die Bestimmung des Rich- tungssinns einer Grösse, wie Verschiebung oder Druckdifferenz neben dem Betrag der Grösse.
Es ist. ein Zweck der vorliegenden Erfin dung, einen Apparat für die Messung von mechanischen Grössen anzugeben, mit dem Messungen bei einem wesentlich höheren Ge nauigkeitsgrad als mit Apparaten mit Gleich-, richtern möglich sind.
Nach der vorliegenden Erfindung erfolgt bei der Einrichtung zur Messung mechanischer Grössen -unter Verwendung eines Transforma tors, dessen Gegenindukt.ivität zwischen seiner .
Primär- und Sekundärwicklung vom Wert der zu messenden Grösse abhängig ist., die Anzeige des Messwertes der gemessenen Grösse durch ein eisengeschlossenes, praktisch richt kraftloses Drehspul-D3mamometer, dessen , Kern eine Erregerwicklung, trägt, die von der gleichen. Wechselstromquelle wie die Trans formator-Primärwicklung gespeist ist und die Drehspule elektrisch in Serie mit der T'rans- formator-Sekundärwicklung geschaltet. ist.
In den meisten Fällen ist. die Konstruk tion des Instrumentes vorzugsweise so ge wählt, dass die Grösse der von der Feldwick lung in der Drehspule induzierten Spannung linear von der Auslenkung der Drehspule ab hängt.
In manchen Fällen kann es, um eine maxi male Ausnützung der Skalenlänge des Instru mentes zu ermöglichen, wünschenswert sein, einen zweiten Transformator vorzusehen, des sen Primärwicklung von der gleichen Wech- selstromquelle wie die Erregerwicklung und die Primärwicklung des ersten Transforma tors gespeist wird, wobei wenigstens ein Teil der in der Sekundärwicklung des zweiten Transformators induzierten Spannung in Serienschaltung von den die Drehspule und die Sekundärwicklung des ersten 'Transforma tors enthaltenden Stromkreises eingefügt ist.
Die Primärw ich lung des zweiten Transforma tors kann durch die Erregerwicklung, die Sekundärwicklung des zweiten Transforma tors oder durch eine zusätzliche, auf dem Kern des Dynamometers vorgesehene Erreger wicklung gebildet sein.
Im folgenden werden zwei Ausführungs beispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrie ben.
Fig.1 zeigt. einen, zentralen Schnitt. durch einen elektromagnetischen Messkopf zur 'Mes sung von Verschiebungen oder Drücken.
Fig. 2 zeigt einen elektromagnetischen Messkopf zur Messung der Dicke von nicht ferromagnetischen Schichten auf magnetisier- baren Materialien.
Fig. 3 zeigt, ein Dyn.amoineter mit Eisen- kern, wie es in Verbindung mit den Mess- köpfen nach den Fig. 1 und '2 verwendet wer den kann.
Die Fig. 4, 5, 6, 7 und 8 stellen verschie dene Schaltungen dar, nach denen die in den Fig.l, 2 und 3 dargestellten Apparate ver bunden werden können.
Bei jeder Anordnung besteht die Einrich tung im wesentlichen aus zwei Teilen, einem elektromagnetischen Messkopf und einem dy namometrischen Instrument mit Eisenkern. Der Messkopf-nach Fig. 1 enthält einen Trans formator mit einer aus zwei Teilen 1 und 2 bestehenden Primärwicklung, die elektrisch miteinander in Serie geschaltet. sind, und einer aus zwei Teilen 3 und, 4 bestehenden Sekundärwicklung, die so miteinander in Serie geschaltet sind, dass die in ihnen infolge eines Wechselstroms in der Primärwicklung induzierten Spannungen gegenphasig liegen.
Der Transformator enthält, einen Eisenkern, der Primär- und Sekundärwicklungen umgibt und aus einem festen Teil 5 und einem be weglichen Teil 6 besteht, die beide aus Teilen ferromagnetischen Materials hergestellt sind. Der bewegliche Teil 6 -des Kerns ist auf einer Welle 7 mittels einer Gegenmutter 8 befestigt und wird an einer Bewegung senkrecht zur Achse der Welle 7 durch strahlenförmig ange ordnete, flexible metallische Arme 9 gehin dert..
Die Welle 7 kann axial in L'bereinst.im- inung mit dein Betrag der zii messenden Grösse, in diesem Fall Verschiebung oder DinzcA, bewegt werden, so dass die Stellung des beweglichen Teils 6 des Kerns eindeutig vom Betrag der zu messenden Grösse abhängt. Die Beweg ing des beweglichen Teils 6 des Kerns verändert die Länge der Luftspalte 10 und 11 im Kern und dadurch die gegensei tigen Induktivit.äten zwischen den Teilen 7.
der Primärwicklung und 3 der Sekundärwick- lun:g resp. dem Teil ?- der Primärwicklung und dem Teil 4 der Sekundärwicklung. Wenn ein Wechselstrom die Primärwicklung durch fliesst., ist die Sekundärspannung Null, sofern der bewegliche Teil 6 des Kerns zentral zum festen Teil 5 des Kerns liegt, und nimmt von Null aus zu bei entgegengesetzter Phase, wenn der bewegliche Teil 6 nach reeht.s resp. nach links aus der zentralen Lage verschoben wird.
Nach Fig.2 besteht. eine zweite Ausfüh- rungsformdes Messkopfes aus einem Trans- formator mit- einem U-förmigen Eisenkern, auf dessen, Sehenkel eine Primärwicklung 13 resp. eine Sekundärwicklung 14 aufgebracht ist.
Beim Gebrauch wird der Messkopf mit den Enden der Schenkel des Kerns 12 gegen ein Stück magnetischen, zu prüfenden Ma terials gehalten, wobei irgendeine unnragne- tische Schicht 16 auf dein Stück zwei Luft spalte im magnetischen Kreis zwischen den Enden der Sehenkel von Kern 12 und dein Stück 15 bildet. Wenn also Wechselstrom durch die Primärwicklung 13 fliesst., ist. die Sekundärspannung umgekehrt proportional zum gesamten magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises.
Der magnetische Wi- derstand nimmt zu bei Zunahme der Dicke der Schicht 16, und die Sekundärspannung nimmt. daher bei Zunahme der Dicke der Schicht 16 ab.
Nach Fig. 3 enthält das für beide Ausfüh rungsformen des 3lesskopfes verwendbare Dynamometer einen ringförmigen Kern aus ferromagnetischem Material, auf den eine Erregerwieklung 19 und, eine Hilfswicklung 20 aufgebracht. sind, und der einen Luftspalt aufweist., in dem die Drehspule 18 sitzt.
Der Spulenstrorn wird über Stromzuführungen (nicht. gezeichnet) zugeführt, die so angeord-. net sind, dass sie im wesentlichen kein me- chanisches rüekführendes Drehmoment auf das Drehsystem ausüben, und keine andere mechanische Rückstellkraft ist vorgesehen, uni die Drehspule zurückzubewegen.
Es wird daher das System mechanisch nicht vollstän dig ausbalanciert, damit die Drehspule in ihre Nullstellung im nicht erregten Zustand zurüekkehrt. Das Drehspulsystem trägt. einen Zeiger 22, der sich über einer Skala 23 be- wegt.. Die Konstruktion des Instrumentes ist.
so gewählt, dass der Betrag der von der Feld wicklung 19 in der Drehspule 18 induzierten Spannung sieh im wesentlichen linear mit der Winkellage ändert, wobei sie den Wert Null besitzt-, wenn sich der Zeiger 22 in der Ska lenmitte (wie in Fig.3 dargestellt) befindet, während sich die Phase der induzierten Spannung um 180 ändert, wenn die Spule 18 sich Tiber die gezeigte Stellung hinweg bewegt.
Der Zusammenbau und die Wirkungsweise der beiden wesentlichen Teile der Einrich tung ist nach verschiedenen. Varianten mög- lieh, von denen im folgenden einige beschrie ben werden. Zuerst. betrifft die Beschreibung Einrichtungen mit einem Messköpf nach Fig. 1; dabei soll als zu messende Grösse eine Verschiebung angenommen sein.
Es wird an genommen, dass die Konstruktion des Mess- kopfes so gewählt ist, da.ss bei gegebenem Pri- märxtrom die Sekundärspannung direkt. pro portional zur Verschiebung D des bewegli chen Teils 6 des Kerns aus seiner zentralen Lage ist.
Die erste betraehtete Schaltung ist in der Fig. 4 der Zeichnungen dargestellt. Nach die ser Schaltung sind die Primärwicklung 1, 3 des Messkopfes und die Erregerwicklung 1.9 des Dynamometers in Serie geschaltet und von einem Strom Il mit der Frequenz 2 n aus einer Quelle _24 durchflossen, während die Sekundärwicklung 3, 4 und die Drehspule 18 sowie die Hilfswicklung 20 dies Dynamo- meters in Serie mit einem Widerstand 25 ge schaltet wird. .
Die Leerlaufspannung der Hilfswicklung 20 ist: EAAliIi, wobei 311 die Gegeninduktivität zwischen der Erregerwicklung 19 und cler Hilfswicklung 20 ist.
Wenn wir annehmen:, dass die Nullage des Zeigers 2 2 an einem Ende der Skala 23 ist, kann für die Leerlaufspannung der Dreh spule 18 geschrieben werden:
EMI0003.0052
dabei ist gy die Auslenkung des Zeigers 22 aus seiner Nullage, cpm ist. die Auslenkung des Zeigers 22 über die ganze Skala und: co3I-211 ist die gesamte Spannungsänderung zwischen der Nullage und. dem vollen Ausschlag des Zeigers.
Wenn der Messkopf-Transformator ideal angenommen wird, gilt. für die Leerlauf spannung in der Sekundärwieklung 3, 4 die Gleicliun:g
EMI0003.0064
dabei ist- Dm die rnaäimal mögliche-Verschie- bung des beweglichen 'Teils 6 in einer Rich tung und M3 ist die Gegennnduktivität zwi- schen der Primärwicklung 1, 2 und der Se kundärwicklung 3, 4 bei D = Du.
Infolge von Eisenverlusten, im 12esskopf-Transforrnator unterscheidet sieh der Phasenwinkel zwischen dem Primärstrom und der Sekundärspanniuig im Messkopf merklich von 90 , und daher muss die Formel
EMI0003.0077
verwendet werden. Im folgenden wird, ange nommen, dass R3 nicht. von h und w ab hängt.
Der durch die Spule 18 fliessende Strom ist gegeben durch: 12 = (EA + En + Es)/Z (1) wobei Z = R<I>+</I> jo,)L die totale Impedanz des Sekundärkreises ist.
Bei gegebenem Strom I2 ergibt sich für den Ausschlag der als richtkraftlos an Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich genommenen Drehspule die Bedingungsglei chung: Il . (Realteil von 12) = 0 (2)
EMI0004.0008
Es folgt daraus, dass c) sich linear mit D än dert und im allgemeinen abhängig ist, von der Frequenz des Primärstroms, aber unab hängig ist- von der Stärkedes Primärstromes.
Aus (3) ergibt sich, dass, wenn bei<I>D</I> = 0 auch cp <I>= 0</I> sein soll, entweder <B>3,11</B> = 1/2 112 oder<I>L</I> = 0 sein mitss. Praktisch ist die erste Möglichkeit besser durchführbar und ermöglicht eine einfache Methode des Null-Abgleichs. Dies wird nach Fig. 5 so durchgeführt, dass ein Widerstand 26 an die Hilfswicklung 20 angeschlossen wird,
wobei vom Widerstand 26 mit Hilfe eines Schiebe kontaktes 27 nur ein Teil in Serie mit der Transformator-Sekundärwicklung 34 und der Drehspule 18 geschaltet wird. Die Grösse D11 in Gleichung (3) mass dann durch. x311 er setzt werden, wobei x kleiner als 1 ist, und durch Verschieben des Kontaktes 27 auf dem Widerstand 26 kann xM1 der Grösse 1/211Z2 gleichgemacht werden, so da.ss die Gleichung (3) die Form bekommt.:
EMI0004.0039
Da. negative Werte g) nicht mit der bisher beschriebenen Anordnung gemessen: werden können, ergibt sieh aus Gleichung (4), dass der Betrag von D nur für positive Werte von D bestimmt werden kann. Wenn es not wendig ist, Betrag und Vorzeichen von D für sowohl positive als negative Werte der Ver schiebung D zu bestimmen, kann die Nullage von Zeiger 22 in der Mitte der Skala 23 ge- wählt werden.
Die Leerlaufspannung der Drehspule 18 ist dann gegeben durch Eu <I>=</I> -.J(O 4,211 wi/Tns, wobei 991 (positiv oder negativ) die Aaslen kung des Zeigers 22 aus einer Nullage ist, und 1V12 und rpu die gleiche Bedeutung wie bisher haben.
Es kann abgeleitet werden, da.ss in diesem Falle die Gleichung (3) ersetzt. werden mass durch die Gleichung:
EMI0004.0052
Wenn also bei D = 0 auch rpi = 0 sein soll, mass 111 = 0 gemacht werden. Es mass also die Hilfswicklung 20 aus der Schaltung her ausgenommen werden, was die Schaltung nach Fig.6 ergibt. Die Gleichung (31) wird dann:
EMI0004.0057
die gleiche Form hat wie Gleichung (4). Da.
nun sowohl positive als negative Werte von c91 in Gleichung (41) möglich sind:, kann von D sowohl Vorzeichen wie Betrag bestimmt werden.
Da die Gleichung (41) die gleiche Form hat. wie die Gleichung (4), wird sie im wei teren nicht besonders diskutiert.
Falls durch irgendeine Massnahme der Verlustwinkel der Gegeninduktivität kompen siert, das heisst der Wert von R3 zu Null ge macht werden könnte, dann -würde Gleichung (4) die Form annehmen:
EMI0004.0066
Unter diesen Bedingungen ist (p sowohl un abhängig von Amplitude als auch von der Frequenz des Primärstroms, aber die Emp findlichkeit ist ziemlich klein.
Diese Anord nung kann pralitiseh dadurch realisiert. wer den., dass, wie in. Fig.7 gezeigt., die Trans- formator-Primärwiekltin- 1, 2 und die Dy- namometer-Erreger wieklung 19 bezüglich der Speisespannung parallel statt. in Serie ge schaltet werden" und dass in Serie mit, der Transformatorwicklung 1, 2 eine Parallel sehaltttng von einem Widerstand 28 und einer Kapazität 29 geschaltet. wird.
Die Grösse<I>312</I> in Gleichung (5) muss dann durch yJT., er setzt werden, wobei y von den. relativen Be trägen der Ströme abhängt., die durch die Transformator-Primärwicklung 1, 2 resp. die Erregerwicklung 19 fliessen.
Durch Verkleine rung des letzteren Stroms wird der Weit y1Z_, kleiner und dadurch die Empfindlichkeit ver- nrössert. Praktisch besteht jedoch eine Grenze der auf diese Weise erreichbaren Vergrösse rung der Empfindlichkeit, da das elektrische ltüekstell-Drehmoment des Dynamometers di rekt proportional zu (y112) 2 ist.
und es prak- tisch nicht günstig ist, das elektrische unter einen bestimmten Wert zu verkleinern.
Der wirksame Wert. von L kann praktiseli dadurch geändert: weiden, da.ss eine Kapazi tät<B>30</B> in den Sekundärkreis geschaltet wird, zum Beispiel parallel zu Sekundärwicklung 3, 4 und Widerstand 25, wie in Fig. 8 dar gestellt.
Aus Gleichung (4) kann entnommen werden, dass, falls L sich dem Wert Null nä hert, bei fehlendem mechanischem Rückstell- Drehmoment die Empfindlichkeit unendlich gross würde. Die auf diese Weise erreich bare Empfindlichkeit, ist. jedoch wieder mit Rüeksieht auf. das minimale elektrische Rüek- st.ell-Drehmonient. begrenzt.; da das Rückstell- Drehmoment. direkt. proportional zu L ist.
Die auf diese Weise erreichbare maximale Empfindlichkeit ist jedoch beträehtlieh grö sser als die maximale Empfindlichkeit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, welche der Glei- ehung (5) gehorcht, obwohl in diesem Fall die Auslenkung (p von der Frequenz des Pri märstroms abhängt.
Alls den obigen Ausführungen geht her vor, da:ss bei der beschriebenen Anordnung der in Fig.1 dargestellte Masskopf ebenso gut für die Messung von. Drucken wie für Verschiebungen verwendet werden kann. Es kann zum Beispiel, die Welle 7 mit. einer flexiblen Membrane zwischen zwei gasgefüll ten Kammern verbunden sein., so dass die Verschiebung des beweglichen Teils 6 des Kerns von der Bewegung der Membrane ab hängt und daher von der Druckdifferenz zwi schen den zwei Kammern.
Im weiteren wird nun: die zweite, oben erwähnte Anordnung betrachtet, in der der Messkopf nach Fig. 2 verwendet wird. Die zuerst. betrachtete Schaltung ist die gleiche wie die in Fig. 4 gezeigte,, mit der Ausnahme, dass die Wickhingen 1, 2 und 3, 4 durch die Wicklungen. 13 resp. 14 ersetzt sind..
Die Leerlaufspannung der Hilfswicklung 20 ist. wieder gegeben durch: E;, = j w D11 <I>h.</I> Die Leerlaufspannung der Drehspule 18 ist wieder gegeben durch:
EMI0005.0079
Wenn der Messkopf-Transformator ideal wäre, so würde für die Leerlaufspannung seiner Sekundärwicklung 14 die Gleichung gelten:
1;, <I>=</I> jux 1Z011/(1 -1- @It). Dabei ist t die Dicke .der Schicht 16, A ist, eine Konstante, und :11o ist die Gegeninduk- tivität zwischen der Primärwicklung 13 und der Sekundärwicklung -14 bei t = 4, Infolge von Eisenverlusten im Messkopf-Transforma- tor muss jedoch der Ausdruck
EMI0005.0098
benützt werden.
Es wird angenommen, dass Ro nicht von<B>11</B> und c0 abhängt. -Die Gleichung
EMI0006.0001
kann auf die gleiche Weise wie Gleichung (3) abgeleitet werden.
Für die Dicke t der Schicht 16 besteht ein maximal messbarer Wert. T, und es ist günstig, wenn bei<I>t = T</I> zugleich c, = 0 ist.
Aus Gleichung (6) ergibt sich, dass dies der Fall ist bei:
EMI0006.0004
Der erforderliche Nullabgleich kann also auf gleiche Weise wie bei der Schaltung nach Fig. 5 erfolgen, wenn, wie oben, die Grösse :I71 in den Gleichungen (6) und (7) durch x.171 ersetzt wird.
Die' weitere Untersuchung der Einrich tung kann in gleicher Weise durchgeführt werden, wie dies in bezug auf die Einrich tung mit dem Messkopf nach Fig.1 erfolgt ist; es sollen aber die Details hier nicht. wie derholt werden.
Bei beiden Einrichtungen können meh rere Dynamometer-Instrumente in die Schal tung eingebaut werden, so dass die Anzeige des Wertes der zu messenden Grösse an mehr als einem Punkt erfolgen kann. In solchen Fällen. werden die Erregerspulen 19 aller Dynamometer parallel. geschaltet, und auch die Drehspulen 18 aller Dynamometer wer den miteinander parallel geschaltet.