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Verfahren zur Prüfung von Spulen auf Windungss chluß Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zum Prüfen von Windungsschlüssen in Spulenwicklungen,
wie sie für elektrotechnische Transformatoren und Drosseln bzw. Spulen angefertigt
werden. Ein Windungsschluß ist eine ungewollte elektrisch leitende Verbindung innerhalb
einer oder mehrerer Windungen einer Spulenwicklung. Insbesondere bei Spulen, die
in Filtern und Schwingkreisen verwendet werden, ist schon ein \\rindungsschluß in
Form einer Windung untragbar.
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Es sind schon eine Reihe von Verfahren zur Feststellung und Erkennung
von Windungsschlüssen bekannt. Meist wird die zu untersuchende Spule auf einen geblechteil
Kern geschoben, auf dessen anderem Schenkel sich eine fest angeordnete Spule befindet.
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Die fest angeordnete Spule ist nun als Teil eines .Schwingkreises
oder als Zweig einer Brückenschaltung oder in Kombination von beiden geschaltet.
Auch wird oft in einem anderen Brückenzweig die gleiche Anordnung wiederholt und
auf dem entsprechenden freien I(ern eine als frei von Windungsschlüssen erkannte
Vergleichsspule der zu prüfenden Serie geschoben.
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Dies hat insbesondere zum Ziel, die auf die fest angeordnete Spule
mit herübertransformierte Wicklungskapazität der zu untersuchenden Spule zu kompensieren.
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Fast allen Verfahren ist gemeinsam, daß die feste Prüfspule und der
mit ihr zusammengeschaltete Resonanzkreis mit seiner Resonanzfrequenz gespeist wird
und die Änderung des Resonauzwiderstandes beim Aufbringen einer defekten Spule zur
Anzeige ausgenutzt wird. Diese Verfahren haben jedoch hinsichtlich der maximal erreichbaren
Empfindlichkeit eine bestimmte Grenze, da ja auch z. B. geringste Veränderungen
der speisenden Frequenz hinsichtlich Amplitude und Periode eine im Prinzip gleiche
Änderung erzeugen wie der gesuchte Windungsschluß. Anderen Schaltungen haftet der
Nachteil an, daß die von Spule zu Spule immer etwas variierende Eigenkapazität einen
Störausschlag des Anzeigeinstruments hervorruft, der analog der Wirkung eines Windungsschlusses
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Feststellen
von Windungsschlüssen anzugeben, das trotz einfachen robusten Aufbaues gegen obige
Störungen unempfindlich ist und doch auch geringe Windungsschlüsse in dünndrähtigen
Spulen hoher Windungszahl sicher anzeigt. Als einfach und für Serienprüfungen besonders
gut geeignet haben sich Verfahren erwiesen, bei denen Spulen, die keinen geschlossenen
metallischen Wickelkörper und noch keinen Eisenkern enthalten über ein offenes Joch
mit einer tonfrequent gespeisten Schwingkreisspule magnetisch gekoppelt sind. Bei
der erfindungsgemäßen
Anordnung wird für einen solchen Windungsschlußprüfer die magnetische
Kopplung niederfrequent geändert und die an der Schwingkreisspule abgreifbare modulierte
Spannung über einen Gleichrichter einem Anzeigegerät zugeführt, wobei als Kriterium
für einen Windungsschluß bei Anwendung einer resonanzfrequenznahen Tonfrequenz die
Vergrößerung bzw. die Phasenumkehr bezüglich der niederfrequenten Kopplungsänderung
der Ausgangsspannung dient.
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Die niederfrequente Änderung der magnetischen Kopplung kann z.B.
dadurch erreicht werden, daß das geblechte Paket mit der auf ihm fest angeordneten
Prüfspule eine schwingende Bewegung längs seiner Achse ausführt und die zu untersuchende
Spule auf einem festen Widerlager so angeordnet wird, daß das gehlechte Paket die
Ankopplung dauernd zeitlich entsprechend der Periode und Amplitude der mechanischen
Schwingung ändert. Dadurch wird eine Amplitudenmodulation der an dem Prüfkreis liegenden
Resonanzspannung bewirkt, die nur durch die von der zu untersuchenden Spule herrührenden
Eigenschaften beeinflußt ist. Diese Amplitudenmodulation läßt sich m1t einfachen
Mitteln, z.B. einer Diodenschaltung, demodulieren, so daß das Demodulationsergebnis
nur von den Eigenschaften der zu prüfenden Spule beeinflußt wird. Es ist eine Eigenschaft
dieses Prinzips, daß z.R. geringe Änderungen in der Periode oder Amplitude der den
Resonanzkreis speisenden Frequenz oder ähnliche Änderungen hinsichtlich der mechanischen
Frequenz zwar eine Abweichung in der absoluten Größe des Meßwertes, nicht jedoch
eine Fehlanzeige hervorbringen.
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Die Wirkuiigsweise und weiteren Vorzüge des Verfahrens. insbesondere
hinsichtlich der Abtrennung der durch die herübertrausformierte Wicklungskapazität
auftretenden Amplitudenmodulation, soll am Beispiel eines vereinfachten Schaltbildes
eines nach diesem Prinzip arbeitenden \\rindungsschlußprüfers erklärt werden.
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In Fig. 1 speist ein Oszillator 1 über den nur wenige Ohm betragenden
Widerstand 2 den aus dem Kondensator 3 und der Drosselspule 4 bestehenden Serienresonanzkreis
mit einer festen Frequenz von z. B. 300 Hz und einer Amplitude von z. B. 0,1 Volt.
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Die Diode 5 richtet die an der Drosselspule 4 liegende Spannung gleich
und lädt den Kondensator 6 auf eine entsprechende Gleichspannung auf. Die nach dieser
(;leichrichtung noch vorhandene Restwechselspannung (Gleichstrom fließt über Widerstand
7) wird durch cine Siehkette aus dem Widerstand 8 und dem Kondensator 9 geglättet.
so daß das im Ausgang des Verstärkers 10 liegende Instrument 20 keinen Ausschlag
zeigt, Auch bei Bewegung der Spule4 und des fest mit ihr verbundenen Eisenkernsll
kann kein Ausschlag aln Instrument auftreten, wenn keine weitere von räumlicll feststehenden
Anordnungen herrührende Beeinflussung des Resonanzkreises stattfindet. Wird jetzt
auf das freie Ende des schwingenden Eisenkernes 11 eine mit einem Windungsschluß
behaftete Spule 12 aufgeschoben und räumlich fest angeordnet, so wird im Takte der
Relativbewegung zwischen dem Teil 11 und der Spule 12 eine Bedämpfung des Schxvillgkreises
4, 3, 2 stattfinden. Da diese Bewegung z. B. sinusförmig mit 5 Hz Periode stattfindet,
tritt vor der Dioden eine mit 5 Hz amplitudenmodulierte Spannung ron 300 Hz Frequenz
auf, die durch die geläufige. bekannte Anordnung5, 6, 7, 8 demoduliert wird. so
daß der Verstärker 10 jetzt eine Eingangsspannung erhält und am Instrument 20 ein
Zeigerausschlag entsteht.
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Tn Fig.37 sind drei Resonanzkurven dargestellt, die die Spannung
an der Spule4 als Funktion der Frequell der angelegten elektrischen Spannung zeigen.
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Die Kurve 13 gibt die Funl;tion für den feststehenden, reinen LC-Schwingkreis
an, der aus der Induktivität 4. der Kapazität 3 und dem niederohmigen Einkopplungswiderstand
2 gebildet wird. Die Kurve 13 ist also die bekannte Resonanzkurve eines Schwingkreises.
Wenn nun eine windungsschlußfreie, aber naturgegehen mit Wicklungskapazität behaftete
Spule 12 auf das verlängerte Ende des Kernes 11 bis zur maximalen Eintauchtiefe
aufgeschoben und dort fest belassen wird, erhält man einen Resonanzverlauf nach
Kurve 14. Die Kurve 14 unterscheidet sich von Kurve 13 dadurch, daß die über den
Kern 11 induktiv in den Schwingkreis transformierte Wicklungskapazität sich zu der
Kreiskapazität addiert. Es entsteht also ein Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz
etwas tiefer liegt. Die durch das veränderte LC-Verhältnis etwas verringerte Resonanzüberhöhung
bedingt eine geringfügige Absenkung des Scheitels der Kurve 14 gegenüber dem der
Kurve 13. Wird bei weiterhin mechanisch feststehendem Kern 11 eine einen Win dungsschluR
aufweisende Spule 12 auf den Kern 11 aufgeschohen und dort belassen, so erhält man
an der Induktivität 4 hei Veränderung der Frequenz des Oszillators 1 einen Spannungsverlauf
entsprechend Kurve 15. Da die kurzgeschlossene Windung einen Ohmschen Verlustwiderstand
in den Schwingkreis transformiert, wird dieser im wesentlichen bedämpft, so daß
der Scheitel der Kurve 15 auf einem tieferen Niveau als der der Kurve 13 liegt.
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Wenn nun der Kernll mit der daraufgewickelten Induktivität 4 eine
periodische Bewegung längs seiner Achse ausführt, so ändert sich an der Kurve 13
nichts, wenn die sonstigen Voraussetzungen dazu weiterhin eingehalten werden. Es
wird lediglich die Induktivität eines elektrischen LC-Schwingkreises mechanisch
beliegt. Da vor das Anzeigeinstrument 20 eine gleichrichtende Diode 5, Kondensatoren
6 und 9 und Widerstände 7 und 8 geschaltet sind, der Verstärker 10 aber nur Wechselspannungen
insbesondere mit einer der mechanischen periodischen Bewegung entsprechenden Frequenz
verstärkt, tritt in den vier bisher beschriebienen Fällen überhaupt kein Ausschlag
am Instrument 20 auf. da an der Diode 5 nur eine Frequenz konstanter Amplitude anliegt.
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Wird jedoch eine mit einem Windungsschluß behaftete Spule 12 aufgeschoben,
so wird diese Spulel2 über den Kern 11 in der einen Endlage relativ fest an den
Schwingkreis gekoppelt, in der anderen Endlage des Kernes 11 jedoch von dem Schwingkreis
entkoppelt. Der Schwingkreis nimmt also bei periodisch schwingendem Kern und bei
Speisung mit einer festen Frequenz aus dem Oszillatorl abwechselnd in der einen
Endlage einen Punkt auf Kurve 13, in der anderen Endlage einen Punkt auf Kurve 15
ein. Für die dazwischenliegenden Punkte in der Schwingbewegung des Kernes 11 sind
natürlich entsprechende, jeweils wischen den Kurven 13 und 15 liegende Resonanzkurven
gültig. Wie ersichtlich, wird jetzt im Falle einer gegen die Frequenz des Oszillators
1 wesentlich geringeren Frequenz der mechanischen Schwingung des Kernes 11 an der
Induktivität eine Amplitudenmodulation der Oszillatorfrequenz mit der Frequenz der
mechanischen Schwingung des Kernes 11 auftreten, deren Amplitude durch die Differenz
der zu den Schnittpunkten 26 und 28 gehörigen Spannungen gegeben ist. Damit tritt
hinter der Demodulation am Eingang des Verstärkers10 jetzt eine Wechselspannung
auf, deren Größe von dem Instrument 20 angezeigt wird.
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Wird statt einer mit einem Windungsschluß hehafteten Spule 12 eine
einwandfreie Spule 12 aufgesetzt, so entsteht auch ein Ausschlag am Instrument.
Diese Anzeige wird durch die herübertransformierte Wicklungskapazität bedingt, da
an der Schwingkreisinduktivität bei fester Oszillatorfrequenz im Punkte maximaler
Ankopplung eine Spannung entsprechend Punl;t 27 steht Es sei hier bemerkt, daß der
Einfluß der Wicklungskapazität bei vielen der bisher bekannten Windungsschlußprüfer
bereits die Meßgrenze darstellt. Der Einfluß der Wicklungskapazität im Verhältnis
zum Einfluß eines Windungsschlusses einer Windung ist nur dann annähernd gleich
groß. wenn die Spule etwa, 104 Windungen aufweist. Es ist also bei Fein-Windungsschlüssen
in Spulen hoher Windungszahl zunächst nicht festzustellen, ob der Ausschlag am Instrument
20 von einem Windungsschluß herrührt oder nur durch die Wicklungskapazität hervorgerufen
wird.
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Verringert man jedoch die Frequenz des Oszillators 1 auf einen tieferen
Wert, z. B. entsprechend der Linie 17, so verändern sich die Verhältnisse einschneidend.
Zwischen den Punkten 24 und 25 besteht weiterhin ein Spannungsunterschied, so daß
an der Induktivität 4 weiterhin eine Amplitudenmodulation auftritt, deren Amplitude
etwas geringer ist als bei der höheren Oszillatorfrequenz 16. Im Falle einer einwandfreien
Spule 12 geht jedoch die Anzeige des Instrumentes 20 nahezu auf Null zurück, da
in beiden Endpunkten der Schwingbewegung und damit auch in
den ;twischenpunkten
die Amplitude der Resonanzspannung an der Induktivität 4 den dem Punkte 24 entsprechenden
Wert konstant beibehält. Damit ist gar keine Amplitudenmodulation vorhanden und
am Eingang des Verstärkers 10 liegt die Wechselspannung Null.
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Wird die Frequenz des Oszillators 1 noch etwas verringert, so wird
der Unterschied noch klarer. Entsprechend den Schnittpunkten der Linie 18 mit den
Kurven 13 und 15 sinkt die Instrumentenanzeige bei einer schadhaften Spule 12 weiter
entsprechend der Spannungsdifferenz zwischen den Punkten 22 und 23 ab. Bei einer
guten Spule 12 steigt jedoch die Instrumentenanzeige von dem Minimum bei der Frequenz
17 entsprechend der Differenz der Punkte 21 und 22 an. Gleichzeitig dreht sich dabei
die Phasenlage zwischen der Bewegung des Kernes 11 und der Eingangswechselspannung
des Verstärkers 10 um 1800. Dies könnte man zur zusätzlichen Anzeige für einen fehlerfreien
Spulenwickel benutzen.
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Man wird bei Serienprüfungen daher zweckmäßig den LC-Resonanzkreis
nicht genau mit seiner Resonanzfrequenz entsprechend der Linie 16, sondern mit einer
etwas niedrigeren Frequenz, z. B. entsprechend der Linie 17 oder 18 speisen, so
daß entweder das Minimum der Anzeige oder die erwähnte Phasendrehung um 1500 als
Prüfergebnis ausgewertet werden kann. Es läßt sich auf diese Weise eine besonders
schnelle Prüfung erzielen, da der einzelne Spulenwickel 12 nur kurz aufgelegt wird,
bis die Instrumentenanzeige zur Ruhe gekommen ist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auch für andere, ähnliche Messungen
geeignet, bei denen kurzgeschlossene Stromwege angezeigt werden sollen. Dies ist
der Fall bei Verfahren zum Auffinden von verborgenen Metallmassen, bei denen das
Joch als Tastorgan dient. Als Ühertragungsmedien der schwingenden Bewegung eignen
sich vor allem Luft, Öl usw., die von einer kleinen ventillosen Membranpumpe in
hin- und herschwingende Bewegung gebracht werden und diese Bewegung direkt auf das
als Kolben ausgebildete schwingende Blechpaket übertragen.
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Als besonderer Vorteil des geschilderten Verfahrens im Hinblick auf
schnelle Serienprüfungen ist anzuführen, daß die zu untersuchende Spule weder an
einen Stromkreis angeschlossen werden muß, noch daß ein Klappjoch verwendet wird.
Die Spule braucht nur aufgesetzt zu werden. Das schwingende Blechpaket wird dabei
zweckmäßig auf eine solche Amplitude eingestellt, daß die obere Kante des Blechkernes
im unteren Totpunkt etwas unterhalb des Spulenkörpers, im oberen Totpunkt etwas
oberhalb des aufgesetzten Spulenkörpers liegt.