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.
Mechanical-electrical measuring transducer for rotary movements, especially for torsiographs
The invention relates to a mechanical-electrical transducer for rotary movements, in particular for torsiographs, in which a rotary movement is converted into a self-induction change.
In known (commercially available) inductive mechanical-electrical converters, cylindrical so-called plunger coils and cylindrical cores, which are moved axially to and fro, are mostly used. Since the most linear possible connection between mechanical displacement and change in self-induction is desired, the coils and cores must be built considerably longer than the displacement path of the core in question. The cores of the known transducers mentioned are thereby slim and long and, since they can only be attached at the ends, are accordingly sensitive to vibrations. Mechanical vibrations are usually also registered as changes in self-induction, which means a very undesirable disruption of the torsional vibration measurement.
The invention consists in that the converter has at least one core, a coil and an inertial mass in a concentric arrangement, that one of the first-mentioned parts is rotatably attached to a shaft, the other part is attached to the inertial mass, and that the coil at least is partially flat and arranged in a plane of rotation and the core is designed as a ring segment and is arranged in such a way that the self-induction of the coil with the relative rotation between core and coil is changed proportionally by moving a ring segment end within the interior of the coil, which is enclosed by winding parts and dips into it with a variable circumferential length.
In such an arrangement, the torsional vibrations are expressed as a periodic rotational displacement of the shaft part with respect to the inertial mass.
This mechanical quantity is then converted into an electrical value using the inductive method. B. measured with the help of suitable measuring devices. The rotary shift changes z. B. the position of a magnetically permeable core attached to the inertial mass opposite the coil attached to the shaft part. This results in a change in the self-induction of the coils, which is expediently measured using an electrical bridge method. By means of a rotary movement, the space enclosed by the windings is then filled with permeable substance towards or in a decreasing manner, which brings about a change in the self-induction which is very precisely proportional to the angle of rotation.
Two exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawing. It shows:
1 shows the transducer of the first embodiment in longitudinal section, as well as the subsequent electrical measurement scheme,
FIG. 2 shows a pair of induction windings (coil pair), in view, and the associated core in section along the section line II-II in FIG. 3,
3 shows the coil pair in elevation,
4 shows the transducer of the second exemplary embodiment in a longitudinal section along the section line IV-IV in FIG. 5,
FIG. 5 shows the same in cross section along the section line V-V of FIG. 4.
The object to be tested for torsional vibrations, such as B. a crankshaft is rigidly coupled to the shaft 2 by means of the union nut 1, while the inertial mass 3 is freely rotatable on the shaft 2. The coil housing 4 is then firmly placed on the shaft 2. It is torsionally connected to the inertial mass 3; for this purpose, the pin 5 seated on the coil housing protrudes into a milled recess 6 in the mass 3 and is connected to the latter in the tangential direction on both sides by a soft spring 7. In this way, the rigid part makes all movements of the crankshaft and thus, in addition to the more or less uniform rotary movement, also all torsional vibrations, while the inert part 3 is only loosely carried along and has a bush 8 for this purpose.
This therefore only takes part in the actual rotary movement of the crankshaft, but not its torsional vibrations.
The relative displacements of the two parts of the visual oscillation system are first converted into an electrical quantity, namely into the change in the self-induction of a coil. The coils are designed as flat coils 10 and wrap around the zone of a semicircle segment. As can be seen from Fig. 2, two coils 10 are arranged in pairs. They are placed in the milled channels 11, 12 of the bobbin 13 and poured into them with a hardenable compound such as araldite. The turns of the coil pair are completely held in place and cannot vibrate freely.
Another ring channel 16 is located between the inner wall 14 of the outer coil channel 11 and the outer wall 15 of the inner coil channel 12. In this the circular arc-shaped permeable core 17 can rotate freely. As can be seen in Fig. 2, the core 17 forms a holder of approximately 1800 arc angles. It consists of a magnetically highly permeable material such as Ferroxcube or an electrical conductor and is cemented into the inert mass 3. The core 17, the coils 10 and the inertial mass 3 are thus arranged concentrically to one another. Furthermore, the planes in which the core 17 rotates on the one hand and in which the turns of the coil 10 are on the other hand are at least approximately parallel to one another.
When measuring torsional vibrations, the mode of operation of the measuring device takes place as follows:
When the inertial mass 3 rotates with respect to the shaft 2, the magnetic core 17 is pushed from the side between the winding strands of the flat coil 10 and thus increases the self-induction. In the O position, the core according to FIG. 2 protrudes approximately halfway into each coil. The range in which the changes in the self-induction are approximately linear is then approximately +300, which value can be considered very high compared to known instruments. Since the core 17 is cemented to the inert mass along its entire arc length, it can practically not carry out any free vibrations and thus not interfere with the measurement results.
The core shift increases the self-induction of one coil and decreases that of the other.
The self-inductions that occur in this way are passed through lines 19, 20, 21, which are laid inside the pipe 22, to the slip rings 23 and are connected to a carrier frequency measuring bridge 25 via brushes 24. The tube 22 is connected via bellows 26 on the one hand to the shaft 2 and on the other hand to the slip ring shaft. In this way, vibrations of the test body cannot propagate through the pipe to the slip rings either. In the measuring bridge 25 there are two further self-inductions which, together with the other two in the torsiograph, form a measuring bridge with inductive resistances which work on equilibrium. Displacements of the nucleus disturb the equilibrium, and the disturbance that has occurred can then e.g. B. be made visible on a cathode ray oscilloscope 27 as a torsional vibration curve.
On the other hand, the measuring bridge 25 emits electrical voltages that are exactly proportional to the rotational deflections, so that the torsional vibrations appear as alternating voltages. These can then be conveniently analyzed in a vibration analyzer.
As shown in the second exemplary embodiment according to FIGS. 4 and 5, four coil elements 10 and two cores 17 could also be used, instead of forming the flat coils as a coil pair. The coils would extend over a circular sector area of approximately 909 each, and the core bodies would likewise only occupy an arc of 90 'and would be diametrically opposite one another. These four coil elements can be connected together directly to form an inductive measuring bridge, and the carrier frequency measuring bridge 25 mentioned could be omitted in this case. In the case of direct current supply, the following applies: The voltage appearing at the output of the bridge is not proportional to the torsional oscillation deflection itself, but to the rotational speed, i.e. the differential of the torsional oscillation deflection.
This full bridge method also has the advantage that the transmission errors of the slip rings are less noticeable than when using the half bridge method. In this exemplary embodiment, the contacts 24 are laid inside.
In order to increase the sensitivity of the transducer, the cross section of the coil formers 13 can be E-shaped, with the middle piece of the E coming to lie between the winding strands of the coil. In a similar way, the sensitivity can be increased by a U-shape, whereby one leg comes to lie between the winding phases. It is obvious to also design the core in a U or E shape. This moves with a small air gap over the magnetically permeable base and the coil body.