Verfahren und Einrichtung zur Messung der Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Spannungen und Anwendung dieses Verfahrens für eine Drehmomentmessung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Spannungen und eine Anwendung dieses Verfahrens für eine Drehmomentmessung.
Es ist bekannt, die Verdrehung einer Welle um einen räumlichen Torsionswinkel durch das Mass der Verschiebung zweier elektrischer Spannungen um einen elektrischen Winkel auszudrücken; diese Winkelverschiebung dient in diesem Fall als Mass für das die Verdrehung der Welle bewirkende Drehmoment. Da sich die gegeneinander verschobenen Spannungen bei sich ändernder Drehzahl ebenfalls ändern, so würde die das Mass für die Phasenverschiebung bildende Differenzspannung bei gleichem Verschiebungswinkel und gleichem Drehmoment verschiedene Werte annehmen. Um dies zu vermeiden, müssen somit die beiden Spannungen, deren Differenz als Mass für die Phasenverschiebung und somit zum Beispiel für das Drehmoment genommen wird, in ihrer Grösse unabhängig von der Drehzahl der sie erzeugenden Generatoren, zum Beispiel der durch das zu messende Drehmoment verdrehten Welle, gehalten werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, dass auf elektronischem Weg jede der beiden Spannungen getrennt voneinander in eine annähernd rechteckförmige Spannung übergeführt wird, welche im Rhythmus der erstgenannten Spannung zwischen annähernd Null und dem Wert der erstgenannten Spannung pendelt, worauf die Amplitude dieser Spannung ebenfalls auf elektronischem Weg in ihrer Höhe derart beschnitten wird, dass eine rechteckförmige Messspannung von annähernd unver änderlicher Flankensteilheit erzeugt wird, und dass anschliessend die beiden rechteckförmigen Messspannungen gegeneinander geschaltet werden und die Differenzspannung gleichgerichtet und einem Messgerät zugeführt wird.
Die zur Durchführung des genannten Verfahrens dienende, ebenfalls Erfindungsgegenstand bildende Einrichtung besitzt einen ersten Satz von Röhren mit gerader Kennlinie, an deren Gitter je die eine der beiden Spannungen, deren Phasenverschiebung gemessen werden soll, angelegt ist und deren Anoden je mit dem Gitter einer zweiten Röhre mit gerader Kennlinie verbunden sind, deren Ausgänge gegeneinander geschaltet und über einen Gleichrichter an ein Messgerät angeschlossen sind.
Das genannte Verfahren wird erfindungsgemäss angewendet für eine Drehmomentmessung, wobei zwei Generatoren verwendet werden, die in axialem Abstand voneinander auf einer Welle angeordnet werden und wobei die Phasenverschiebung der aus den Generatoren erhaltenen Spannungen zur Bestimmung des Drehmomentes der Welle gemessen wird.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens und dessen Anwendung ist im folgenden an Hand der beiliegenden Zeichnung, welche schematisch ein Ausführungsbeispiel der ebenfalls Erfindungsgegenstand bildenden Einrichtung zeigt, erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 das Blockschema eines elektronischen Gerätes zur Drehmoment- und Drehzahlmessung,
Fig. 2 das Schaltschema der Vorverstärker-Begrenzungsvorrichtung des Gerätes nach Fig. 1,
Fig. 3 das Schaltschema der einen Teil des Gerätes nach Fig. 1 bildenden Clipper- und Phasenmessvorrichtung,
Fig. 4 Diagramme der in den einzelnen Gerätteilen erzeugten Spannungen,
Fig. 5 das Schaltschema der Kompensations- und Drehzahlmessvorrichtung des Gerätes nach Fig. 1 und
Fig. 6a und 6b in Vorderansicht bzw.
im Axialschnitt den Generatorteil eines praktischen Ausführungsbeispiels eines Drehmomentmessgerätes mit Phasenverschiebungs-Messeinrichtung.
Das in Fig. 1 im Blockschema gezeigte Gerät dient zur Messung des an einer Welle angreifenden Drehmomentes unter Verwendung der dabei auftretenden Verdrehung der Welle. In an sich bekannter Weise werden zu diesem Zweck im Abstand der Torsionsstrecke auf der Welle (Fig. 6a, 6b) zwei Generatoren angeordnet, welche die zur Phasenmessung herangezogenen elektrischen Ausgangsspannungen liefern. Diese Spannungen werden dem in Fig. 1 gezeigten elektronischen Gerät an den Stellen A und B (Anschluss an den ersten bzw. zweiten Generator) zugeführt. Jede dieser Spannungen wird an ein aus Widerständen und Kondensatoren bestehendes R-C-Glied 1 angelegt, welchem ein Vorverstärker 2 nachgeschaltet ist. An die Vorverstärker 2 ist je eine Clipper- und Phasenmessvorrichtung 3 angeschlossen, deren Ausgänge über einen Gleichrichter 4 gegeneinander geschaltet sind.
An die vorgenannten Hauptelemente des Gerätes ist ferner eine Kompensationseinrichtung 5, eine Drehzahlmessvorrichtung 6 und eine Ablese- und Registriervorrichtung 7 angeschlossen. Die einzelnen Geräteteile sind im folgenden näher beschrieben.
R-C-Glied 1 und Vorverstärker 2 sind in Fig. 2 im Detail dargestellt. Das R-C-Glied ist in an sich bekannter Weise aus Widerständen und Kondensatoren aufgebaut. Wenn sich die Drehzahl der mit den Generatoren versehenen Welle ändert, ändert sich bekanntlich auch die von den Generatoren erzeugte Spannung sowie deren Frequenz, das heisst also, mit steigender Spannung erhöht sich die Frequenz. Da ein Kondensator ein frequenzabhängiger Widerstand ist, kann durch geeignetes Zusammenschalten mit frequenzunabhängigen Ohmschen Widerständen gemäss Fig. 2 erreicht werden, dass über dem Kondensator eine Spannung abgenommen werden kann, die nicht mehr stark mit der Drehzahl der Generatoren ändert. Diese nur schwach drehzahlabhängige Spannung wird dem Röhrenverstärker 2 zugeführt.
Dieser weist als Anodenimpedanz einen Ohmschen Widerstand auf. Da im vorliegenden Fall die erforderliche Verstärkung nicht besonders gross ist, wurde kein Ausgangstransformator vorgesehen. Der Verstärker 2 arbeitet im übrigen in an sich bekannter Weise. Der Vorverstärker 2 dient gleichzeitig auch als Begrenzer. Durch Einbau eines entsprechend dimensionierten Widerstandes in die Gitterzuführung der Verstärkerröhre 2a wird bei grossem Eingangssignal des Generators durch den bei der positiven Halbwelle fliessenden Gitterstrom eine Begrenzung dieser Halbwelle herbeigeführt. In Fig. 4 ist bei a die Eingangsspannung des Verstärkers 2 und bei b dessen Ausgangsspannung (abgenommen bei C und D in Fig. 2) dargestellt.
Die durch die Vorrichtung 1, 2 vorgeformte Wechselspannung (b in Fig. 4) wird dem Gitter einer ersten Röhre 3a der Clipper- und Phasenmessvorrichtung 3 zugeführt (Fig. 3). Die positive Halbwelle der Eingangsspannung bringt dieses Gitter auf ein relativ hohes positives Potential, so dass die Röhre 3a leitet. Die Spannung an der Anode wird sehr klein, da ein genügend gross dimensionierter Anodenwiderstand einen grossen Spannungsabfall verursacht. Bei der negativen Halbwelle der Eingangsspannung ist die Röhre 3a schon bei geringer negativer Spannung vollständig gesperrt. Wichtig ist hier, dass eine Röhre 3a mit einer geraden Kennlinie und sehr scharfem Cutoff-Punkt verwendet wird. Die Spannung an der Anode wird in diesem Zeitpunkt gleich der Spannung der Speisequelle.
An der Anode lässt sich daher eine fast rechteckförmige Spannung (c in Fig. 4), die zwischen dem Wert der Speisespannung und fast Null im Rhythmus der Eingangsspannung pendelt.
Diese Spannung ist aber für die Phasenmessung noch unbrauchbar, weil sich die Flankensteilheit bei variabler Eingangsspannung ändert. Um dies zu eliminieren, ist eine zweite Stufe vorgesehen. Die Anode der ersten Röhre 3a wird direkt mit dem Gitter einer zweiten Röhre 3b verbunden. Weist die nun am Gitter von Röhre 3b liegende Spannung (c in Fig. 4) der Anode von Röhre 3a ihren minimalen Wert auf, so fliesst durch Röhre 3b ein kleiner Strom, da ihr Kathodenwiderstand eine wenn auch kleine negative Gittervorspannung verursacht. Steigt die Gitterspannung von Röhre 3b zum minimalen positiven Wert, so leitet diese Röhre sofort. Der Anodenstrom ist dann nur durch die Grösse des Anoden- und Kathodenwiderstandes begrenzt. Dieser maximale Anodenstrom fliesst schon bei relativ geringem Wert der positiven Spannung am Gitter der Röhre 3b, so dass der Rest unwirksam ist.
Dadurch wird eine Beschneidung dieser Spannung in geringer Höhe erreicht, was bewirkt, dass sich die Flankensteilheit praktisch nicht mehr ändert. Diese nun rechteckförmige Spannung (d in Fig. 4) lässt sich über den Kathodenwiderstand an Punkt G oder über einen Kondensator an Punkt E abnehmen. Auch hier ist eine Röhre 3b mit sehr gerader Kennlinie zu verwenden. In analoger Weise wird die Spannung des zweiten Generators auf die zugeordnete Röhre 3a an Punkt D angelegt. Die Wirkungsweise ist genau dieselbe wie oben. Die Rechteckspannung lässt sich sinngemäss an den Punkten H bzw. F abnehmen.
Sind die Generatorspannungen UX und U2 infolge eines Drehmomentes, das auf die genannte Welle wirkt, in ihrer Phase verschoben, so sind dies auch die Ausgangsspannungen der Clippervorrichtungen an G und H in gleicher Weise. Die Lage dieser Spannungen ist bei e in Fig. 4 gezeigt. Da diese Spannungen jetzt unabhängig von der Grösse der Generatorspannungen sind, gibt die Gegeneinanderschaltung dieser Ausgangsspannungen an G und H das Mass für das an der Welle wirkende Drehmoment. Die Form der Differenzspannung ist bei f in Fig. 4 gezeigt. Bei Veränderung des Drehmomentes und damit der Phasenverschiebung zwischen den beiden Ausgangsspannungen der Clippervorrichtungen ändert sich auch die Breite der Rechteckimpulse und damit der Effektivwert dieser Differenzspannung. Mit normalen Messinstrumenten lässt sich diese Rechteck-Wechselspannung nicht messen.
Aus diesem Grunde sorgt ein Röhrengleichrichter 4 in Graetzschaltung für eine Gleichrichtung, so dass daraus rechteckförmige positive Spannungsimpulse (G in Fig. 4) resultieren, die sich mit einem Drehspulinstrument 7a (Fig. 1) leicht messen lassen. Der Mittelwert dieser Impulse G ist damit das Mass für das Drehmoment und lässt sich am Instrumentenzeiger direkt ablesen. Eine Eichung in Drehmomenteinheiten ist ohne weiteres durchführbar.
Die bisher beschriebene Anordnung ermöglicht generell eine Phasen- und damit Drehmomentmessung. Um aber auf technisch brauchbare Resultate zu kommen, sind einige zusätzliche Massnahmen wünschenswert.
Der Gitterableitwiderstand der ersten Clipperröhre 3a (bei Punkt C) ist kritisch. Eine einwandfreie Arbeitsweise ist nur bei richtiger Dimensionierung dieses Widerstandes gewährleistet. Die R-C Kombination beim Gittereingang der Leistungsverstärkerröhre 2a (Fig. 9) ist sehr sorgfältig zu wählen.
Eine vollständige Spannungs- und damit Drehzahlunabhängigkeit der Phasenmessung hängt von der richtigen Einstellung dieser Werte ab.
Die Konstruktion und die Anordnung des bisher beschriebenen Gerätes und die beschriebenen Mittel zur Erhöhung der Genauigkeit tragen sehr wesentlich dazu bei, dass die Generatoren eine äusserst einfache Konstruktion aufweisen dürfen.
Der Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Messgeneratoren ist aus den Fig. 6a, 6b ersichtlich. Die auf der Welle 8 sitzenden Rotoren bestehen aus einer gezahnten Scheibe 9; im Prinzip kann ein Zahnrad verwendet werden. Die U-förmigen Statoren 10 sind geblecht und weisen je zwei Wicklungspaare
11 auf. Das untere Wicklungspaar 11 dient zur Erregung mit Gleichstrom. Diese Lösung lässt sich ersetzen durch Einbau eines permanenten Magneten in das Joch jedes Stators 10. Damit fallen dann auch die Erregerwicklungen weg.
Beim Vorbeieilen der Zähne und Zahnlücken des Rotors 9 an den Polschuhen des Stators 10 entsteht eine periodische Änderung des magnetischen Kreises. Dadurch wird im obern Wicklungspaar 11 eine Spannung induziert, deren Frequenz sich aus der Zähnezahl des Rotors und der Drehzahl der Welle 8 ergibt. Gleichzeitig lässt sich mit der Wahl der Zähnezahl Z der räumliche Verdrehungswinkel K der Torsionswelle 8, auf der die Generatoren befestigt sind, in einen stark vergrösser ten elektrischen Winkel ? ei. umwandeln: Wel el = p g zu Ifi = Z zu F.
Die Messgeneratoren sind im Aufbau sehr einfach und robust und erfordern keine besonders präzise Herstellung. Die Statoren 10 sind zweckmässig derart angeordnet, dass sich ihre Achsen um einen bestimmten Winkel verdrehen lassen. Dadurch ist es möglich, wie bereits oben erwähnt, die Phasenlage der Generatorspannungen beliebig zu verändern.
Die beschriebene besondere Art der Erregung ermöglicht in starkem Mass die erwähnte einfache Konstruktion der Generatoren.
Zudem erlaubt sie die bei der Drehmomentmessung äusserst wichtige schleifringlose Ubertra- gung der Messwerte.
Stellt man die Rotoren 9 der Generatoren derart ein, dass schon bei einem Drehmoment Null, also ohne Verdrehung der Welle, eine Differenzspannung bei G-H bzw. J-K (Fig. 3) entsteht, so lässt sich dies zur Messung von positiven und negativen Drehmomenten heranziehen. Die an den Punkten J-K (Fig. 5) zur Verfügung stehende Spannung wird durch eine sehr konstante Gleichspannung in der Kompensationsvorrichtung 5 vollständig auskompensiert. Ein zwischen diese Spannungen geschaltetes Nullinstrument 7a zeigt somit bei Drehmoment Null keinen Ausschlag. Tritt ein bremsendes oder antreibendes Drehmoment auf, so entsteht eine kleiner oder grösser werdende Phasenverschiebung, die eine Verkleinerung bzw. Vergrösserung der Spannung an J-K hervorruft.
Infolge der konstanten Kompensationsspannung erfährt der Zeiger des Nullinstrumentes 7a durch die Polaritätsänderung eine Ablenkung in der einen oder andern Richtung.
Diese Methode dient nun aber noch gleichzeitig dazu, den Einfluss von Ungenauigkeiten der Generatoren zu verhindern. Diese Ungenauigkeiten rufen an den Punkten J-K ebenfalls eine wenn auch kleine Spannung hervor. Ist aber durch die Vorverdrehung der Generatoren die Spannung an J-K schon relativ gross, so haben diese kleinen Störspannungen auf die Messungen keinen Einfluss mehr. Dies trägt wiederum dazu bei, sehr einfache Generatoren verwenden zu können.
Da die Frequenz der Messgeneratoren genau proportional der Drehzahl der Welle ist, kann die Drehzahlmessung in eine Frequenzmessung übergeführt werden. Bei den gebräuchlichen elektronischen Frequenzmessern wird die einfallende Sinuswelle in eine amplitudenkonstante Rechteckkurve verwandelt.
Mit einer Kondensator-Widerstands anordnung, deren Zeitkonstante der höchsten Messfrequenz angepasst ist, erfolgt eine Differenzierung der Rechteckspannung. Nach Gleichrichtung ist der Gleichstrom Mittelwert des Kondensator-Ladestromes der zu messenden Frequenz proportional. Die Anzeige erfolgt dann auf einfache Weise mittels eines Drehspulinstrumentes.
Wie bereits weiter oben ausgeführt, steht am Ende des Klipperkreises (Fig. 3) bei G eine solche gewünschte Rechteckspannung zur Verfügung. Deshalb ist zur Drehzahlmessung nur noch ein Gleichrichter (siehe Fig. 5) einzuschalten. Ein im Gerät eingebauter Kombinationsschalter 12 ermöglicht die Herstellung dieser Schaltung und legt gleichzeitig das Nullinstrument 7a an den Gleichrichter an.
Das Instrument kann demnach ausser mit einer Drehmoment- noch mit einer Drehzahlskala versehen werden.
Ist es erwünscht, das Drehmoment nicht nur an einem Zeigerinstrument sichtbar zu machen, sondern auch zu registrieren, so lässt sich dies durch Anschluss eines registrierenden Kompensators parallel zum Anzeigeinstrument 7a an die Anschlüsse L (Fig. 1) bewerkstelligen. Für diesen Zweck dürfte sich ein elektronischer Kompensator, zum Beispiel Philips PR 2000 , gut eignen. Wie Fig. 1 zeigt, erfolgt bei Schalterstellung n Drehzahlmessung, bei Schalterstellung Md Drehmomentmessung und bei Schalterstellung RG die Registrierung der Messwerte.
Oft ist die Bedingung gestellt, dass bei Erreichen eines bestimmten Drehmomentes eine Signal- oder Alarmeinrichtung in Tätigkeit gesetzt wird oder sogar die Betätigung der Ausschaltorgane des Antriebs erfolgen muss. Dies lässt sich zum Beispiel durch eine zusätzliche Verstärkerstufe in Verbindung mit einem Relais erreichen. An Stelle der Verstärkerröhre kann auch ein Thyratron oder eine Kaltkathodenröhre treten.
Soll der Drehmomentmesser auf einem andern Drehzahlbereich arbeiten, so lässt sich dies durch entsprechende Wahl der Zähnezahl der Rotoren 9 der Messgeneratoren ohne weiteres erreichen. Bei kleinen Drehzahlen müssten diese proportional mehr und bei grossen entsprechend weniger Zähne aufweisen.
Ist zu befürchten, dass das Lagerspiel zum Beispiel bei Gleitlagern einen Einfluss auf die Messgenauigkeit der Generatoren ausübt, so besteht die Möglichkeit, deren Statoren 10 einzeln oder zusammen mit eigenen, auf der Messwelle 8 sitzenden Lagern zu versehen. Damit ist der Luftspalt zwischen Rotor 9 und Stator 10 der Generatoren eindeutig und unabhängig vom Lagerspiel der Antriebswelle 8 festgelegt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Pol schuhe des Stators 10 statt radial, seitlich des Rotors 9 anzuordnen, so dass eine radiale Verschiebung keine Luftspaltänderung hervorruft.
Durchgeführte Versuche und Messungen haben ergeben, dass sich die Empfindlichkeit der Messanordnung durch einfache schaltungstechnische Än- derungen so weit steigern lässt, dass sich ohne Anderung der Generatoren ein Endausschlag des Messinstrumentes bei einem Drehmoment von 10 cmkg ergibt. Dies würde unter Umständen gestatten, die Verdrehung der Welle einer Antriebs- oder Arbeitsmaschine selbst zur Messung des Drehmomentes heranzuziehen. Dies könnte dadurch erfolgen, dass man einen Messgenerator auf die Antriebsseite und den zweiten Generator auf das hintere leere Wellenende montiert.
Method and device for measuring the phase shift between two electrical voltages and using this method for a torque measurement
The present invention relates to a method and a device for measuring the phase shift between two electrical voltages and an application of this method for a torque measurement.
It is known to express the rotation of a shaft by a spatial torsion angle by the amount of the displacement of two electrical voltages by an electrical angle; this angular displacement serves in this case as a measure for the torque causing the rotation of the shaft. Since the mutually shifted voltages also change when the speed changes, the differential voltage forming the measure for the phase shift would assume different values with the same angle of displacement and the same torque. In order to avoid this, the two voltages, the difference of which is taken as a measure of the phase shift and thus, for example, the torque, must be independent of the speed of the generators producing them, for example the shaft rotated by the torque to be measured , being held.
The method according to the invention is now characterized in that each of the two voltages is electronically converted into an approximately square-wave voltage, which fluctuates in the rhythm of the first-mentioned voltage between approximately zero and the value of the first-mentioned voltage, whereupon the amplitude of this voltage also increases electronically, the height is trimmed in such a way that a square-wave measuring voltage with an almost unchangeable edge steepness is generated, and that the two square-wave measuring voltages are then switched against each other and the differential voltage is rectified and fed to a measuring device.
The device used to carry out the above-mentioned method and also forming the subject of the invention has a first set of tubes with a straight characteristic curve, to whose grids one of the two voltages whose phase shift is to be measured is applied and whose anodes each with the grid of a second tube are connected with a straight characteristic curve, the outputs of which are switched against each other and connected to a measuring device via a rectifier.
Said method is used according to the invention for a torque measurement, whereby two generators are used which are arranged at an axial distance from one another on a shaft and the phase shift of the voltages obtained from the generators is measured to determine the torque of the shaft.
An exemplary embodiment of the method according to the invention and its application is explained below with reference to the accompanying drawing, which schematically shows an exemplary embodiment of the device which is also the subject of the invention. It shows:
1 shows the block diagram of an electronic device for measuring torque and speed,
FIG. 2 shows the circuit diagram of the preamplifier limiting device of the device according to FIG. 1,
3 shows the circuit diagram of the clipper and phase measuring device forming part of the device according to FIG. 1,
4 diagrams of the voltages generated in the individual parts of the device,
5 shows the circuit diagram of the compensation and speed measuring device of the device according to FIGS. 1 and
6a and 6b in front view and
in axial section the generator part of a practical embodiment of a torque measuring device with a phase shift measuring device.
The device shown in the block diagram in FIG. 1 is used to measure the torque acting on a shaft using the rotation of the shaft that occurs in the process. In a manner known per se, two generators, which supply the electrical output voltages used for phase measurement, are arranged on the shaft (FIGS. 6a, 6b) at a distance from the torsion path. These voltages are fed to the electronic device shown in FIG. 1 at points A and B (connection to the first or second generator). Each of these voltages is applied to an R-C element 1 consisting of resistors and capacitors, which is followed by a preamplifier 2. A clipper and phase measuring device 3 is connected to the preamplifier 2, the outputs of which are connected to one another via a rectifier 4.
A compensation device 5, a speed measuring device 6 and a reading and recording device 7 are also connected to the aforementioned main elements of the device. The individual parts of the device are described in more detail below.
R-C element 1 and preamplifier 2 are shown in detail in FIG. The R-C element is made up of resistors and capacitors in a manner known per se. If the speed of the shaft provided with the generators changes, it is known that the voltage generated by the generators and their frequency also change, that is to say that the frequency increases with increasing voltage. Since a capacitor is a frequency-dependent resistor, it can be achieved by suitable interconnection with frequency-independent ohmic resistors according to FIG. 2 that a voltage can be drawn across the capacitor that no longer changes significantly with the speed of the generators. This voltage, which is only slightly dependent on the speed, is fed to the tube amplifier 2.
This has an ohmic resistance as anode impedance. Since the required gain is not particularly great in the present case, no output transformer was provided. The amplifier 2 also operates in a manner known per se. The preamplifier 2 also serves as a limiter. By installing an appropriately dimensioned resistor in the grid feed of the amplifier tube 2a, when the input signal from the generator is large, the grid current flowing during the positive half-wave brings about a limitation of this half-wave. In FIG. 4, the input voltage of the amplifier 2 is shown at a and its output voltage is shown at b (taken from C and D in FIG. 2).
The alternating voltage preformed by the device 1, 2 (b in FIG. 4) is fed to the grid of a first tube 3a of the clipper and phase measuring device 3 (FIG. 3). The positive half-wave of the input voltage brings this grid to a relatively high positive potential, so that the tube 3a conducts. The voltage at the anode becomes very small, since a sufficiently large anode resistor causes a large voltage drop. In the case of the negative half-cycle of the input voltage, the tube 3a is completely blocked even at a low negative voltage. It is important here that a tube 3a with a straight characteristic and a very sharp cutoff point is used. At this point in time, the voltage at the anode is equal to the voltage at the supply source.
An almost square-wave voltage (c in FIG. 4), which oscillates between the value of the supply voltage and almost zero in the rhythm of the input voltage, can therefore be found at the anode.
However, this voltage is still useless for the phase measurement because the edge steepness changes with a variable input voltage. To eliminate this, a second stage is provided. The anode of the first tube 3a is connected directly to the grid of a second tube 3b. If the voltage (c in Fig. 4) of the anode of tube 3a which is now at the grid of tube 3b is at its minimum value, a small current flows through tube 3b, since its cathode resistance causes a negative grid bias, albeit a small one. If the grid voltage of tube 3b increases to the minimum positive value, this tube conducts immediately. The anode current is then only limited by the size of the anode and cathode resistance. This maximum anode current already flows at a relatively low value of the positive voltage on the grid of the tube 3b, so that the rest is ineffective.
As a result, this voltage is cut at a low level, which means that the edge steepness practically no longer changes. This now square-wave voltage (d in FIG. 4) can be picked up via the cathode resistance at point G or via a capacitor at point E. Here, too, a tube 3b with a very straight characteristic is to be used. The voltage of the second generator is applied to the associated tube 3a at point D in an analogous manner. The way it works is exactly the same as above. The square wave voltage can be picked up at points H and F, respectively.
If the generator voltages UX and U2 are shifted in their phase as a result of a torque acting on the shaft mentioned, then these are also the output voltages of the clipper devices at G and H in the same way. The position of these voltages is shown at e in FIG. Since these voltages are now independent of the magnitude of the generator voltages, the counter-connection of these output voltages at G and H gives the measure of the torque acting on the shaft. The shape of the differential voltage is shown at f in FIG. When changing the torque and thus the phase shift between the two output voltages of the clipper devices, the width of the rectangular pulses and thus the effective value of this differential voltage also change. This square-wave alternating voltage cannot be measured with normal measuring instruments.
For this reason, a tube rectifier 4 in a Graetz circuit ensures rectification so that rectangular positive voltage pulses (G in FIG. 4) result which can easily be measured with a moving coil instrument 7a (FIG. 1). The mean value of these impulses G is therefore the measure for the torque and can be read directly from the instrument pointer. A calibration in torque units can easily be carried out.
The arrangement described above generally enables phase and thus torque measurement. However, in order to achieve technically useful results, some additional measures are desirable.
The grid leakage resistance of the first clip barrier tube 3a (at point C) is critical. Proper functioning is only guaranteed if this resistor is correctly dimensioned. The R-C combination at the grid input of the power amplifier tube 2a (Fig. 9) must be chosen very carefully.
A complete voltage and thus speed independence of the phase measurement depends on the correct setting of these values.
The construction and the arrangement of the device described so far and the described means for increasing the accuracy contribute very significantly to the fact that the generators can have an extremely simple construction.
The structure of an exemplary embodiment of the measuring generators can be seen from FIGS. 6a, 6b. The rotors sitting on the shaft 8 consist of a toothed disk 9; in principle a gear can be used. The U-shaped stators 10 are laminated and each have two pairs of windings
11 on. The lower pair of windings 11 is used for excitation with direct current. This solution can be replaced by installing a permanent magnet in the yoke of each stator 10. The excitation windings are then also omitted.
When the teeth and tooth gaps of the rotor 9 hurry past the pole pieces of the stator 10, a periodic change in the magnetic circuit occurs. This induces a voltage in the upper pair of windings 11, the frequency of which results from the number of teeth on the rotor and the speed of the shaft 8. At the same time, with the choice of the number of teeth Z, the spatial twist angle K of the torsion shaft 8 on which the generators are attached can be converted into a greatly enlarged electrical angle? egg. convert: Wel el = p g to Ifi = Z to F.
The measuring generators are very simple and robust in structure and do not require any particularly precise manufacture. The stators 10 are expediently arranged in such a way that their axes can be rotated through a certain angle. This makes it possible, as already mentioned above, to change the phase position of the generator voltages as required.
The particular type of excitation described enables the aforementioned simple construction of the generators to a great extent.
In addition, it allows the extremely important slip ring-free transmission of the measured values for torque measurement.
If the rotors 9 of the generators are set in such a way that a differential voltage at G-H or J-K (Fig. 3) arises even at zero torque, i.e. without twisting the shaft, this can be used to measure positive and negative torques. The voltage available at points J-K (FIG. 5) is completely compensated for by a very constant direct voltage in the compensation device 5. A zero instrument 7a connected between these voltages thus shows no deflection at zero torque. If a braking or driving torque occurs, a smaller or larger phase shift occurs, which causes the voltage at J-K to decrease or increase.
As a result of the constant compensation voltage, the pointer of the zero instrument 7a experiences a deflection in one direction or the other due to the change in polarity.
At the same time, however, this method also serves to prevent the influence of inaccuracies in the generators. These inaccuracies also cause tension, albeit a small one, at points J-K. However, if the voltage at J-K is already relatively high due to the pre-rotation of the generators, these small interference voltages no longer have any influence on the measurements. This in turn helps to be able to use very simple generators.
Since the frequency of the measuring generators is exactly proportional to the speed of the shaft, the speed measurement can be converted into a frequency measurement. In common electronic frequency meters, the incident sine wave is converted into a square wave of constant amplitude.
The square-wave voltage is differentiated with a capacitor-resistor arrangement, the time constant of which is adapted to the highest measuring frequency. After rectification, the mean value of the capacitor charging current is proportional to the frequency to be measured. The display is then carried out in a simple manner by means of a moving coil instrument.
As already stated above, such a desired square-wave voltage is available at the end of the Klipper circle (FIG. 3) at G. Therefore only a rectifier (see Fig. 5) needs to be switched on to measure the speed. A combination switch 12 built into the device enables this circuit to be produced and at the same time applies the zero instrument 7a to the rectifier.
In addition to a torque scale, the instrument can also be provided with a speed scale.
If it is desired not only to make the torque visible on a pointer instrument, but also to register it, this can be done by connecting a registering compensator parallel to the display instrument 7a to the connections L (FIG. 1). An electronic compensator, for example Philips PR 2000, should be well suited for this purpose. As FIG. 1 shows, when the switch is in position n, rotational speed measurement occurs, when the switch is in position Md, torque measurement and when the switch is in position RG, the measured values are recorded.
Often the condition is that when a certain torque is reached, a signal or alarm device is activated or even the activation of the disconnection elements of the drive must take place. This can be achieved, for example, with an additional amplifier stage in conjunction with a relay. A thyratron or a cold cathode tube can also be used instead of the amplifier tube.
If the torque meter is to work in a different speed range, this can easily be achieved by appropriate selection of the number of teeth of the rotors 9 of the measuring generators. At low speeds, these would have to have proportionally more teeth and correspondingly fewer teeth for large ones.
If it is to be feared that the bearing play, for example in the case of slide bearings, has an influence on the measuring accuracy of the generators, it is possible to provide their stators 10 individually or together with their own bearings located on the measuring shaft 8. The air gap between the rotor 9 and the stator 10 of the generators is thus clearly defined and independent of the bearing play of the drive shaft 8. Another possibility is to arrange the pole shoes of the stator 10 to the side of the rotor 9 instead of radially, so that a radial displacement does not cause a change in the air gap.
Tests and measurements carried out have shown that the sensitivity of the measuring arrangement can be increased by simple circuitry changes to such an extent that without changing the generators, the measuring instrument has a full deflection at a torque of 10 cmkg. Under certain circumstances, this would make it possible to use the rotation of the shaft of a drive or working machine itself to measure the torque. This could be done by mounting a measuring generator on the drive side and the second generator on the empty rear end of the shaft.