Elektrische Abstandsmesseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Abstandsmesseinrichtung an zwei gegeneinander bewegten Teilen, zum Messen von deren Abstand insbesondere für Gleitlager mit Hilfe einer kapazitiven Sonde, welche in den einen der beiden bewegten Teile eingebaut ist und die eine Belegung eines Kondensators bildet, wobei der andere Teil die andere Belegung darstellt.
Zur Abstandsmessung insbesondere in Gleitlagern zwischen der Lagerschale und der Welle verwendet man elektrische Messmethoden, die die Anderung der Kapazität bei Abstandsänderungen feststellen. Man kann hiermit die Spalthöhe zwischen Lagerschale und Welle messen (Schering und Vieweg, Zeitschrift für angewandte Chemie 1926, Seite 1114). Die Kapazitäts- änderungen kann man in Messbrücken feststellen oder man kann die Kapazität als Bestandteil eines Reso- nanzkreises ansehen, welcher eine bestimmte Frequenz in einem Oszillator erzeugt, wobei die Anderung der Kapazität dann eine Anderung der Frequenz bedingt.
Diese Messmethode wird als bekannt vorausgesetzt.
Die Schwierigkeit ist die Art und Weise, wie die Kapazität möglichst unabhängig von Temperatur und anderen Einflüssen zwischen Schale und Welle festgestellt wird. Hierfür müssen verschiedene Bedingungen gestellt werden. Das Feld zwischen den Belegungen des Kondensators muss homogen sein, die meist aus 01 bestehende Schmierschicht zwischen Schale und Welle muss eine möglichst gleiche dielektrische Konstante haben. Durch Temperaturänderungen darf sich die Messung nur dann beeinflussen lassen, wenn sich hierbei der tatsächliche Abstand zwischen Schale und Welle mitändert. Änderungen der Dielektrizitätskonstante durch die Temperatur und Anderungen der Länge, der Dicke der verwendeten Sonden für die Messeinrichtung dürfen keinen Einfluss auf die Messung ausüben.
Ausserdem muss die Messgenauigkeit sehr hoch sein, da die Abstände zwischen Lagerschale und Welle im allgemeinen sehr klein, meist unter 1/lao mm sind. Die Schale und die Welle selbst als Belegungen zu wählen geht nicht, da keine ausreichende Isolation zwischen ihnen liegt. Man muss daher besondere Sonden einführen, die von der Lagerschale isoliert sind. Hierzu verwendet man kleinere, isolierte Plättchen, die in die Lagerschale eingebaut werden (VDI Forschungsheft 352 aus dem Jahre 1932). Diese erfüllen aber noch nicht die erforderliche Genauigkeit.
Der Temperatureinfluss insbesondere auf die Ausdehnung der Plättchen ist wohl klein, weil die Plättchen selbst nicht gross sind, es isi aber dann auch die Kapazität sehr klein, so dass relativ die Genauigkeit dadurch stark beeinflusst wird. Der Temperatureinfluss auf die Dielektrizitätskonstante kann nicht ohne weiteres ausgeschaltet werden. Ausserdem sind die kleinen Plätt- chen den mechanischen Anforderungen nicht gewachsen und es muss darauf geachtet werden, dass diese Sonden genügend öldicht sir.
und kein 01 durch den Zuführungskanal für die elektrischen Zuleitungen aus der Lagerschale herausdringt. Man hat daher diese Sonden durch seitliche Schrauben fest angeschraubt und mit Kunstharz verkleidet (Dissertation von H. Knülle, TH Karlsrtihe 1962). Diese Sonden können nur mit grossem Aufwand ausgewechselt werden. Die Isolation ist dort nur mit Rücksicht auf den Tempera tureirfluss, auf die Zähigkeit des Materiales und nicht darauf abgestellt gewesen, dass die Messung unabhän- gig von den verschiedenen Temperaturen des Lagers durchgeführt werden muss.
Bisher ist die Aufgabe dar völligen Temperatur- unabhängigkei° nicht gelöst worden und daher sind bei allen bisher verwendeten Systemen entweder Korrek turkurven erforderlich. die eine betriebsmässige Messung erschweren, oder überhaupt keine genügende Temperaturunabhängigkeit gewährleistet. Betriebsmäs- sig wird ebenfalls eine gute Auswechselbarkeit und eine stabile Ausführung verlangt.
Diese Aufgabe soll mit der Erfindung erfüllt werden. Erfindungsgemäss wird daher bei einer Messeinrichtung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, dass die Sonde aus einer Platte als Belegung, einem in diese eingeschraubten, mit Isoliermaterial umgebenen Metallstift als Zuleitung, einer zwischen dieser Platte und dem einen der gegeneinander bewegten Teile liegenden Glasplatte besteht und dass das Material der Belegungsplatte einen grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als der genannte eine Teil und dass die Dicken der Glasplatte und der Belegungsplatte so aufeinander abgestimmt sind,
dass die Kapazität durch die Wärmeausdehnung des genannten einen Teils und der Belegungsplatte und durch alle temperaturbedingte Anderung der Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums zwischen der Belegungsplatte und dem anderen der beiden gegeneinanderbewegten Teile praktisch nicht beeinflusst wird.
Die Verwendung von Glas als Isolierplatte zwischen dem einen Teil, der als Lagerschale ausgebildet sein kann und der Belegungsplatte hat den grossen Vorteil, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient bei Glas ausserordentlich klein ist (0,5.10-s [1/ C], so dass er praktisch vernachlässigt werden kann. Die Be legungsplatte selbst macht man dann aus beispielsweise Aluminium, das einen grösseren und zwar angenähert doppelt so grossen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt wie der beispieisweise als Lagerschale aus Stahl (23,8.10-6 gegenüber 11. 10-6) ausgebildete Teil.
Dies er- möglicht, die gleiche Wärmeausdehnung zu erhalten, wenn man die Dicke der Aluminiumplatte etwa halb so gross macht wie die Stahldicke, die der Summe der Dicken von Glasplatte und Belegungsplatte etwa entspricht. Die Glasplatte muss in diesem Falle auch etwa die gleiche Dicke wie die Belegungsplatte haben. Auch andere Materiialien, dXie ähnliche Bedingungen erfüllen, können hierbei verwendet werden.
Die Kapazität der Sonde zwischen der Belegungsplatte und dem z. B. als Welle ausgebildeten anderen Teil ändert sich nun nicht nur durch den Abstand zwischen den beiden Teilen, sondern auch bei Anderungen der Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen beiden Belegungen, z. B. des ) les. Diese Änderung könnte man durch Korrekturkurven berücksichtigen, wobei aber die Temperatur selbst bekannt sein muss. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird sie kompensiert, indem man die Dicke der Belegungsplatte so wählt, dass sie sich etwas höher ausdehnt als das entsprechende Lagermaterial des als Lagerschale aus- gebildeten einen Teils.
Da die Dielektrizitätskonstante mit der Temperatur abnimmt, wird dann der Abstand etwas kleiner als der tatsächliche Abstand zwischen Lagerschale und Welle, so dass die Verkleinerung der Kapazität durch die veränderte Dielektrizitätskonstante wieder ausgeglichen wird. Bei der genauen Durchrechnung gilt dies genau nur für einen bestimmten Abstand von Lagerschale und Welle. Man legt daher der Bemessung einen mittleren Abstand zugrunde. Für Betriebsmessungen ist dies aber dann genau genug.
Die Fig. l und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die Messende und Fig. 2 die zugehörige Messschaltung.
Mit 1 ist eine Lagerschale angedeutet, die das Lager der Welle 2 bilden soll. Zweck der Messeinrichtung soll sein, den Abstand zwischen Lagerschale und Welle möglichst genau und unabhängig von der Temperatur zu messen. Zu diesem Zwecke besitzt die Schale eine offnung 3, in welche die Messonde eingeführt ist. Diese besteht aus der Belegungsplatte 4, welche aus Aluminium hergestellt ist. Sie ist durch die Glasplatte 5 vom Metall des Lagers elektrisch isoliert.
Eine Hülse 6 ist in die Lagerschale eingeschraubt und hält die Sonde in der Schale fest. Diese Hülse ist durch eine Glashülse 7 von dem Stift 8, der die elektrische Zuführung bildet, isoliert. Auf diesen Stift sind die Adern 10 der Zufüungslleitung 9 aufge. presst. 11 ist der Isoliennantel des Kabels.
Die Dicken der Glasplatte 5 und der Belegungsplatte 4 sind nun so aufeinander abgestimmt, dass die gesamte Ausdehnung etwa gleich der Ausdehnung des umgebenden Teiles der Lagerschale ist. Zu diesem Zwecke muss die Summe der Produkte aus Dicke und Ausdehnungskoeffizient von Glas-und Belegungsplatte gleich dem Produkt der Tiefe der Aussparung der Lagerschale und seines Ausdehnungskoeffizienten sein.
Da die Glasplatte sich praktisch nicht mit der Temperatur ausdehnt, so muss der Ausdehnungskoeffizient des Materials der Belegungsplatte umso grösser sein als der Ausdehnungskoeffizient der Lagerschale, wie die Dicke kleiner als die der Schale ist. Als Material hat sich hierfür Aluminium als günstig erwiesen, es kann aber auch Blei gewählt werden.
Um nun noch die Anderung der Dielektrizitätskon- stante mit der Temperatur berücksichtigen zu können, macht man die Dickenänderung zwischen Belegungs- platte und Lagerschale nicht genau gleich, sondern lässt die Belegungsplatte sich mehr ausdehnen als die Lagerschale. Die Dielektrizitätskonstante nimmt mit höher Temperatur ab, so dass dann die Kapazität kleiner werden würde. Dadurch aber, dass die Belegungsplatte sich stärker ausdehnt als die sie umgebende Lagerschale, wird diese Verkleinerung der Kapazität wieder durch Verkleinerung des Abstandes ausgeglichen.
Die Vertiefung, in welche die Glasplatte und die Belegungsplatte eingelegt sind, macht man zweckmässigerweise ein wenig grösser, als die Summe der Dicken beider Platten. Die Belegungsplatte liegt dann innerhalb der Vertiefung und kann unter keinen Umständen bei sehr kleinen Abständen die Welle als erste berüh- ren, auch wenn der Ausdehnungskoeffizient eine grössere Ausdehnung bewirkt als bei der umgebenden Lagerschale.
Um die Sonde gegen etwa austretendes 01 völlig dicht zu machen, wird das eingeführte Kabel 9 gegen über der Sondenwand mit Hilfe von Giessharz abgedichtet.
Die Verschraubung der Hülse in der Lagerschale und die Verschraubung des Stiftes mit der Belegungsplatte wird so getroffen, dass sie sich gegenseitig zusammenpressen und dadurch die Glasplatte fest in der Vertiefung halten.
Die Fig. 2 zeigt die an sich bekannte Schaltung des Gerätes. Die Sonde bildet einen Teil eines Resonanzkreises des Oszillators 12. In diesem ist also eine In duktivität zu denken, welche mit der Messkapazität zusammengeschaltet ist. Der Oszillator erzeugt mit Hilfe dieses Resonanzkreises eine Spannung mit der Resonanzfrequenz. Andert sich nun der Kapazitätswert der Sonde, so wird auch die Resonanzfrequenz geän- dert und es entsteht eine andere Frequenz. Mit Hilfe von Frequenz-Spannung-Umsetzern 13 wird nun die Frequenz in eine proportionale Spannung umgewandelt und mit dem Instrument 14 gemessen. Als solches Instrument kann auch die Schleife eines Oszillographen dienen. Gegebenenfalls müssen dann noch Verstärkungseinrichtungen dazwischengeschaltet werden.
Die Vorteile der Anordnung sind also, eine Messeinrichtung zu erhalten, die unabhängig von der Tem peratur den Abstand zwischen Lagerschale und Welle zu messen gestattet und weitgehend den Temperatureinfluss auf die Dielektrizitätskonstante berücksichtigt.
Dazu kommt, dass durch die starre Befestigung der Sonde in der Schale auch der Druckeinfluss praktisch verschwindet.