CH387328A - Mechanisch-elektrischer Messwertumformer für Drehbewegungen, insbesondere für Torsiographen - Google Patents

Description

  
 



     Mechanisch-elektrischer    Messwertumformer für Drehbewegungen, insbesondere für Torsiographen
Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanischelektrischen Messwertumformer für Drehbewegungen, insbesondere für Torsiographen, bei dem eine Dreh bewegung in eine Selbstinduktionsänderung umgeformt wird.



   Bei bekannten (im Handel erhältlichen) induktiven mechanisch-elektrischen Umformern verwendet man meistens zylindrische sogenannte Tauchspulen und zylindrische Kerne, die axial gegeneinander hin und her bewegt werden. Da im allgemeinen ein möglichst linearer Zusammenhang zwischen mechanischer Verschiebung und   Änderung    der Selbstinduktion gewünscht wird, müssen die Spulen und Kerne beträchtlich länger als der in Frage kommende Verschiebungsweg des Kernes gebaut werden. Die Kerne der erwähnten bekannten Umformer werden dadurch schlank und lang und, da sie nur an den Enden befestigt werden können, dementsprechend empfindlich gegenüber Erschütterungen. Mechanische Vibrationen werden meistens auch als Veränderungen der Selbstinduktion registriert, was eine sehr unerwünschte Störung der Torsionsschwingungsmessung bedeutet.



   Die Erfindung besteht darin, dass der Umformer mindestens einen Kern, eine Spule sowie eine träge Masse in konzentrischer Anordnung aufweist, dass der eine der erstgenannten Teile drehbar an einer Welle, der andere Teil an der trägen Masse befestigt ist, und dass ferner die Spule mindestens teilweise flach ausgebildet und in einer Rotationsebene angeordnet ist und der Kern als Ringsegment ausgebildet und so angeordnet ist, dass die Selbstinduktion der Spule mit der relativen Verdrehung zwischen Kern und Spule proportional geändert wird, indem ein Ringsegmentende innerhalb des von Win  dungsteilen    umschlossenen Innenraumes der Spule bewegbar ist und in ihn mit variabler Umfangslänge eintaucht.



   Die Drehschwingungen äussern sich bei einer solchen Anordnung als eine periodische Drehverschiebung des Wellenteils gegenüber der trägen Masse.



  Diese mechanische Grösse wird dann nach der induktiven Methode in einen elektrischen Wert umgeformt und erst dieser wird dann z. B. mit Hilfe geeigneter Messgeräte gemessen. Die Drehverschiebung verändert z. B. die Lage eines magnetisch permeablen, an der trägen Masse befestigten Kerns gegenüber der am Wellenteil befestigten Spule. Dadurch kommt eine Veränderung der Selbstinduktion der Spulen zustande, die zweckmässigerweise mit einer elektrischen Brückenmethode gemessen wird. Durch eine Drehbewegung wird der von den Wicklungen umschlossene Raum dann zur oder abnehmend mit permeabler Substanz gefüllt, was eine Veränderung der Selbstinduktion mit sich bringt, die sehr genau proportional dem Drehwinkel verläuft.



   In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 den Messwertumformer des ersten Ausführungsbeispiels im Längsschnitt, sowie das daran anschliessende elektrische Messschema,
Fig. 2 ein Induktionswicklungspaar (Spulenpaar), in Ansicht, sowie den dazu gehörigen Kern im Schnitt nach der Schnittlinie II-II der Fig. 3,
Fig. 3 das Spulenpaar im Aufriss,
Fig. 4 den Messwertumformer des zweiten Ausführungsbeispiels im Längsschnitt nach der Schnittlinie IV-IV der Fig. 5,
Fig. 5 denselben im Querschnitt nach der Schnittlinie V-V der Fig. 4.  



   Der auf Torsionsschwingungen zu prüfende Gegenstand, wie z. B. eine Kurbelwelle, wird mittels der Überwurfmutter 1 mit der Welle 2 starr gekuppelt, während die träge Masse 3 frei drehbar auf der Welle 2 gelagert ist. Auf der Welle 2 ist sodann das Spulengehäuse 4 fest aufgesetzt. Es ist mit der trägen Masse 3 drehfedernd verbunden; hierzu ragt der am Spulengehäuse sitzende Stift 5 in eine Anfräsung 6 der Masse 3 hinein und ist hier in tangentialer Richtung nach beiden Seiten durch eine weiche Feder 7 mit dieser verbunden. In dieser Weise macht der starre Teil alle Bewegungen der Kurbelwelle und somit nebst der mehr oder weniger gleichförmigen Drehbewegung auch alle Torsionsschwingungen mit, während der träge Teil 3 nur lose mitgeführt und hiezu eine Büchse 8 besitzt.



  Dieser macht somit nur die eigentliche Drehbewegung der Kurbelwelle mit, nicht aber deren Torsionsschwingungen.



   Die Relativverschiebungen der beiden Teile des   Sehwingungssystems    werden zunächst in eine elektrische Grösse umgewandelt, und zwar in die Veränderung der Selbstinduktion einer Spule. Die Spulen sind als Flachspulen 10 ausgebildet und umschlingen die Zone eines Halbkreissegmentes. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind je zwei Spulen 10 paarweise angeordnet. Sie werden in die eingefrästen Kanäle 11, 12 des Spulenkörpers 13 gelegt und in diesen mit einer härtbaren Masse, wie Araldit, eingegossen. Die Windungen des Spulenpaars sind dadurch vollkommen festgehalten und können keine freien Vibrationen ausführen.



   Zwischen der Innenwand 14 des äusseren Spulenkanals 11 und der Aussenwand 15 des innern Spulenkanals 12 liegt ein weiterer Ringkanal 16. In diesem kann sich der kreisbogenförmige permeable Kern 17 frei drehen. Wie in Fig. 2 ersichtlich, bildet der Kern 17 einen HaTbring von angenähert   1800    Bogenwinkel. Er besteht aus magnetisch   hoch-    permeablem Material, wie    Ferroxcube ,    oder aus einem elektrischen Leiter und ist in die träge Masse 3 eingekittet. Der Kern 17, die Spulen 10 und die träge Masse 3 sind somit konzentrisch zueinander angeordnet. Ferner liegen die Ebenen, in der sich einerseits der Kern 17 dreht, und in der sich anderseits die Windungen der Spule 10 befinden, wenigstens angenähert parallel zueinander.



   Beim Messen von Drehschwingungen spielt sich die Wirkungsweise des Messgeräts etwa folgenderma  ssen    ab:
Wenn sich die träge Masse 3 gegenüber der Welle 2 dreht, schiebt sich der magnetische Kern 17 von der Seite her zwischen die Wicklungsstränge der Flachspule 10 und vergrössert damit die Selbstinduktion. In der O-Stellung ragt der Kern gemäss Fig. 2 etwa zur Hälfte in jede Spule hinein. Der Bereich, in dem die Veränderungen der Selbstinduktion annähernd linear verlaufen, beträgt dann etwa + 300, welcher Wert im Vergleich zu bekannten Instrumenten als sehr hoch anzusprechen ist. Da der Kern 17 längs seiner ganzen Bogenlänge in der trägen Masse festgekittet ist, kann er praktisch keine freien Vibrationen ausführen und somit die Messresultate nicht stören.

   Die Kernverschiebung vergrö  ssert    bei der einen Spule die Selbstinduktion und verkleinert diejenige der andern.



   Die so auftretenden Selbstinduktionen werden durch Leitungen 19, 20, 21, die ins Innere des Rohres 22 verlegt sind, nach den Schleifringen 23 geleitet und über Bürsten 24 mit einer Trägerfrequenz-Messbrücke 25 verbunden. Das Rohr 22 ist über Faltenbälge 26 einesteils an die Welle 2 und   andernteils    an die Schleifringwelle angeschlossen. Auf diese Weise können sich Erschütterungen des Prüfkörpers ebenfalls nicht durch das Rohr nach den Schleifringen fortpflanzen. In der Messbrücke 25 befinden sich zwei wietere Selbstinduktionen, die mit den beiden andern im Torsiographen befindlichen eine Messbrücke mit induktiven Widerständen bilden, die auf Gleichgewicht arbeiten. Verschiebungen des Kerns stören das Gleichgewicht, und die eingetretene Störung kann dann z. B. auf einem Kathodenstrahl-Oszillographen 27 als Drehschwingungskurve sichtbar gemacht werden.

   Die Messbrücke 25 gibt anderseits elektrische Spannungen ab, die den Drehausschlägen genau proportional sind, so dass die Torsionsschwingungen als Wechselspannungen erscheinen. Diese können dann in einem Schwingungsanalysator bequem analysiert werden.



   Wie im zweiten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 und 5 gezeigt, könnte man auch vier Spulenelemente 10 und zwei Kerne 17 verwenden, anstatt die Flachspulen als Spulenpaar auszubilden. Dabei würden die Spulen über einen Kreissektorbereich von je etwa   909    reichen, und die Kernkörper würden ebenfalls nur einen Kreisbogen von   90'    einnehmen und einander diametral gegenüberstehen. Diese vier Spulenelemente können direkt zu einer induktiven Messbrücke zusammengeschaltet und die genannte Trägerfrequenz-Messbrücke 25 könnte in diesem Fall weggelassen werden. Bei Gleichstromspeisung gilt: Die am Ausgang der Brücke erscheinende Spannung ist nicht dem Drehschwingungsausschlag selbst, sondern der Drehgeschwindigkeit, also dem Differential des Drehschwingungsausschlages proportional.

   Diese Vollbrückenmethode hat ausserdem den Vorteil, dass die Übertragungsfehler der Schleifringe weniger in Erscheinung treten, als bei Anwendung der Halbbrückenmethode. Die Kontakte 24 sind bei diesem Ausführungsbeispiel ins Innere verlegt.



   Um die Empfindlichkeit des Messwertumformers zu steigern, kann der Querschnitt der Spulenkörper 13 E-förmig ausgebildet werden, wobei das mittlere Stück des E zwischen die Wicklungsstränge der Spule zu liegen kommt. Auf ähnliche Weise lässt sich die Empfindlichkeit durch eine U-Form steigern, wobei der eine Schenkel zwischen die Wicklungsstränge zu liegen kommt. Es ist naheliegend, auch den Kern U- oder E-förmig auszubilden. Hiebei bewegt sich dieser mit geringem Luftspalt über den  magnetisch permeablen Unterlagen und dem Spulenkörper.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Mechanisch-elektrischer Messwertumformer für Drehbewegungen, insbesondere für Torsiographen, bei dem eine Drehbewegung in eine Selbstinduktions änderung umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformer mindestens einen Kern (17), eine Spule (10) sowie eine träge Masse (3) in konzentrischer Anordnung aufweist, dass der eine der erstgenannten Teile drehbar an einer Welle (2), der andere Teil an der trägen Masse (3) befestigt ist, und dass ferner die Spule (10) mindestens teilweise flach ausgebildet und in einer Rotationsebene angeordnet ist und der Kern (17) als Ringsegment ausgebildet und so angeordnet ist, dass die Selbstinduktion der Spule mit der relativen Verdrehung zwischen Kern und Spule proportional geändert wird,

   indem ein Ringsegmentende innerhalb des von Windungsteilen umschlossenen Innenraumes der Spule bewegbar ist und in ihn mit variabler Umfangslänge eintaucht.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Messwertumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (17) fest in der trägen Masse (3) verankert ist und dass zwei Flachspulen (10) in der gleichen Ebene einander gegenüber angeordnet und in einem Spulengehäuse (4) untergebracht sind, welches auf der Welle (2) fixiert ist (Fig. 1, 2).

   2. Messwertumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene, in der sich der Kern (17) dreht, wenigstens angenähert parallel zu der Ebene liegt, in der sich die Windungen der Spule (10) befinden.

   3. Messwertumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der Spulen (10) Zonen von Kreissegmenten umschlingen.

   4. Messwertumformer nach Patentanspruch und Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung hoher Empfindlichkeit der Kern (17) sich zwischen kreissegmentförmigen Wicklungssträngen der Spulen (10) bewegt.

   5. Messwertumformer nach Patentanspruch und Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechende Teile der Spulen (10) in kreisbogenförmigen Kanälen (11, 12) eines Spulenkörpers (13) liegen.

   6. Messwertumformer nach Patentanspruch und Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Innenwand (14) eines äusseren Spulenkanals (11) und der Aussenwand (15) eines inneren Spulenkanals (12) ein weiterer Ringkanal (16) liegt, in welchem sich der kreisbogenförmige Kern (17) bewegen kann.

   7. Messwertumformer nach Patentanspruch und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (17) aus einem Halbring von wenigstens angenähert 1800 Bogenwinkel besteht.

   8. Messwertumformer nach Patentanspruch und Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (17) in die träge Masse (3) eingekittet ist.

   9. Messwertumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spulen (10) variabler Induktivität zusammen mit zwei äusseren Spulen fester Induktivität eine Brückenschaltung bilden, bei der beide Spulen variabler Induktivität die aktiven Elemente sind.

   10. Messwertumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steigerung der Empfindlichkeit ein hinsichtlich seines Querschnittes E-förmig ausgebildeter Spulenkörper (13) vorgesehen ist, wobei das mittlere Stück des E zwischen Wicklungsstränge der Spule zu liegen kommt und die oberen und unteren Teile des E ausserhalb der Wicklungsstränge liegen.

   11. Messwertumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Empfindlichkeit ein hinsichtlich seines Querschnittes U-förmig ausgebildeter Spulenkörper (13) vorgesehen ist, wobei der eine Schenkel des U zwischen die Wicklungsstränge zu liegen kommt und der andere Schenkel des U ausserhalb der Wicklungsstränge liegt.

   12. Messwertumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Schliessung des magnetischen Kreises kreissegmentförmige Wicklungsstränge der Spulen auf einer ebenen permeablen Unterlage liegen und dass sich Schenkel des Kernes (17) mit geringem Luftspalt über diesen Unterlagen bewegen.

   13. Messwertumformer nach Patentanspruch und Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Spulen (10) und den Spulenkanälen (11, 12) vorhandenen Spälte mit einer härtbaren Kunststoffmasse ausgegossen sind.

   14. Messwertumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (17) aus hochpermeablem Material besteht.

   15. Messwertumformer nach Patentanspruch und Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wirbelstromverlustarmes, magnetisch permeables Material für den Kern (17) verwendet wird, so dass hohe Trägerfrequenzen bei grosser Empfindlichkeit anwendbar sind.

   16. Messwertumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kerne (17) von angenähert 90" Bogenwinkel auf der trägen Masse (3) fixiert sind und einander diametral gegenüberstehen (Fig. 5).

   17. Messwertumformer nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vier Spulen (10) eine Brückenschaltung bilden, bei der zwei Kerne (17) alle vier Zweige der Brücke induktiv und damit die Brückenabstimmung beeinflussen (Fig. 4, 5).