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Kreiselvorrichtung zur Umwandlung eines Drehmoments in eine Wellenrotation
Die Erfindung betrifft eine Kreiselvorrichtung zur Umwandlung eines von einem Meßwandler
gelieferten Drehmoments in eine Wellenrotation, deren Geschwindigkeit dem Drehmoment
proportional ist.
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Eine solche Vorrichtung ist von Bedeutung, wenn das gemessene Drehmoment
proportional einer Meßgröße ist, deren zeitliches Integral ermittelt werden soll.
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Die Meßgröße sei z. B. die Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit
in einer Rohrleitung, und es soll das Integral der Strömungsgeschwindigkeit, d.
h. die Durchflußmenge bestimmt werden. Ein bekannter Meßwandler liefert ein der
Strömungsgeschwindigkeit proportionales Drehmoment. Dieses wird einer ebenfalls
bekannten Kreiselvorrichtung zugeführt, die das Drehmoment in eine Wellenrotation
von proportionaler Geschwindigkeit umwandelt. Das zeitliche Integral wird durch
einen Zähler gebildet, der die Wellenumdrehungen zählt.
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Die in diesem Zusammenhang bereits bekannte Kreiselvorrichtung enthält
einen kardanisch gelagerten Kreisel, dem das Drehmoment über die innere Kardanachse
zugeführt wird, so daß der Kreisel um die äußere Kardanachse mit einer proportionalen
Geschwindigkeit präzediert.
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Das vom Meßwandler gelieferte Drehmoment erzeugt keine Drehung des
Kreisels um die innere Kardanachse, sondern allenfalls geringfügige, mit wachsendem
Drehmoment zunehmende Verdrehungen innerhalb der Übertragungsmechanik infolge von
Lagerspiel. Hierbei bildet nun aber die Reibung in der Übertragungsmechanik einen
schädlichen Einfluß. Die Reibung bewirkt nämlich, daß das vom Meßwandler gelieferte
Drehmoment nicht in voller Höhe zur inneren Kardanachse gelangt. Insbesondere kommen
kleine Schwankungen des Meßdrehmoments überhaupt nicht bis zum Kreisel durch.
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Dies führt dazu, daß die Geschwindigkeit der Präzessionsdrehung des
Kreisels kein genaues Abbild des Meßdrehmoments ist, so daß auch das vom Zähler
gebildete Integral fehlerhaft ist.
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Ziel der Erfindung ist es, diesen Mangel zu beseitigen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe bietet der Stand der Technik die Anregung,
der Ubertragungsmechanik eine oszillierende Bewegung aufzuzwingen, die die reibungsbehafteten
Lagerstellen ständig im Zustand der gegenüber der Ruhereibung beträchtlich geringeren
Gleitreibung hält. Hierbei wird jedoch üblicherweise ein fremder Schwingungsanreger
vorgesehen.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß die
Schwingungsanregung durch
den Kreisel selbst herbeigeführt wird, und zwar nur- während der Präzessionsdrehung,
d. h. nur zu der Zeit, wo die Reibung wirklich stört.
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Die vorgenannte bekannte Kreiselvorrichtung ist zu diesem Zweck dadurch
gekennzeichnet, daß zur Überwindung von Reibung in der zwischen dem Meßwandler und
der inneren Kardanachse angeordneten Übertragungsmechanik ein infolge der Präzessionsdrehung
wirksam werdender magnetischer Hilfsdrehmomentgeber vorgesehen ist, der ein im Takt
der Präzessionsdrehung alternierendes Drehmoment um die äußere Kardanachse und eine
entsprechende oszillierende Präzession des Kreisels um die innere Kardanachse erzeugt.
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Zwei Ausführungsformen der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen
erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine bekannte Kreiselvorrichtung, von der die Erfindung
ausgeht, -Fig. 2 und 3 zwei Beispiele zur Erzeugung des alternierenden Drehmoments
um die äußere Kardanachse.
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Die bereits bekannte Kreiselvorrichtung enthält einen Kreiselrotor
19, der im Rotorträger 20 gelagert ist. Der Rotorträger ist drehbar im Kardanrahmen
21 gelagert, der drehbar in einem feststehenden Grundrahmen 22 gelagert ist, so
daß sich eine Aufhängung des Kreisels mit drei Freiheitsgraden ergibt. Der Rotorträger
20 ist auf Drehzapfen gelagert,
von denen einer sichtbar und mit
23 bezeichnet ist, die von Lagern am Kardanring 21 getragen werden, so daß die Drehachse
AA des Kreiselrotors 19 rechtwinklig zu der inneren Kardanachse BB verläuft, die
durch die Drehzapfen 23 hindurchgeht. Der Kardanring 21 ist mit Hilfe oberer und
unterer Drehzapfen 24 drehbar gelagert, die von Lgern- un Grundrahmen 22 getragen
werden, so daß der Kardanring um eine vertikale äußere Kardanachse CC rotieren kann,
die durch die Drehzapfen 24 senkrecht zu der inneren Kardanachse BB verläuft. Der
Kreiselrotor 19 wird von einem Elektromotor angetrieben, der vorzugsweise ein Synchronmotor
ist.
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Das als Ausgangsgröße eines Meßwandlers auftretende Drehmoment wird
von der Welle 40 in einer solchen-Weise übertragen, daß das Drehmoment um die innere
Kardanachse BB angreift, um eine Präzession des Kreisels um die äußere Kardanachse
CC mit einer Geschwindigkeit zu verursachen, die direkt von dem zugeführten Drehmoment
entsprechend bekannten Gesetzmäßigkeiten hinsichtlich der Präzessionsbewegungen
eines Kreisels abhängt. Auf diese Weise besteht eine direkte Beziehung zwischen
dem Drehmoment und der Präzessionsgeschwindigkeit des Kreisels, die dann ein Maß
für das Drehmoment darstellt. Um eine integrierte Ausgangsgröße zu erhalten, ist
der Kreisel mechanisch mit einem Zähler 26 über Zahnräder 27 verbunden, die ein
Antriebsritzel 28 auf - der Eingangswelle 29 des-Zählers mit einem Antriebsritzel
30 verbinden, das mit dem - unteren Drebzapfen24 des Kreisels verbunden ist.
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Ein rohrförmiges Halteglied41, in welchem die Welle 40 gelagert ist,
verläuft durch ein rohrförmiges Stützglied42, welches dazu dient, das Gehäuse 43,
welches zusammen mit einer Abdeckung 44 den Kreis ei 11 und den Umlaufzähler 26
umschließt, mit einem Meßwandler zu verbinden. Das innere Ende der Welle 40 ragt
in das Gehäuse 43 hinein und trägt am inneren Ende einen Hebelarm 45, dessen Ende
am unteren Ende einer Vorschubstange 46 angreift, die sich nach oben durch den hohlen
unteren Drehzapfen24 des Kreisels entlang der Achse CC erstreckt. Das obere Ende
der Vorschubstange 46 drückt gegen die Unterseite eines L-förmig ausgebildeten Hebels
47, von dem ein Ende auf einer Stütze 48 drehbar gelagert ist, die- -mit - dem Kardanring
21 verbunden und mit diesem drehbar ist. Das andere Ende des Hebels 47 trägt einen
Bolzen 49, der gegen einen Hebel 51 drückt, der auf dem Rotorträger 20 befestigt
ist. Mit dieser Anordnung wird durch eine Aufwärtsbewegung der Vorschubstange 46
ein Drehmoment auf den Kreisel um die innere Kardanachse BB übertragen, unabhängig
von der Ibage des Kreisels um die äußere Kardanachse CC.
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Um die Drehachse des Kreiselrotors 19 in einer Lage -zu halten, in
der sie etwa senkrecht zu der äußeren Kardanachse CC verläuft, was für die Genauigkeit
der Präzessionsdrehung erforderlich ist, ist eine Wirbelstromstützeinrichtung vorgesehen.
Wie am besten aus F i g. 1 zu erkennen ist, enthält diese einrichtung eine zylindrisch
ausgebildete Wand52, die den Kreisel umgibt. Die Achse dieser Wand verläuft durch
das Zentrums der Aufhängung des Kreisels. Die zylindrisch ausgebildete Wand kann,
wie aus der Darstellung ersichtlich ist, ein Teil des Grundrahmens 22 des Kreisels
sein. Der Kreiselrotor 19 besitzt einen Wellenansatz,- - der sich durch.
den Rotorträger
20 erstreckt und an seinem äußeren Ende eine Scheibe 53 trägt, die vorzugsweise
aus magnetisch durchlässigem Werkstoff besteht und eine Reihe von nach außen vorspringenden
zylindrischen permanenten Magneten 54 trägt, die mit dem Kreiselrotor. rotieren
und ein magnetisches Drehfeld erzeugen, das symmetrisch zu der Drehachse des Kreiselrotors
verläuft. Um eine maximale Feldstärke zu erreichen, sind die äußeren Enden benachbarter
Magnete vorzugsweise gegensinnig gepolt, so daß sich ein starker magnetischer Fluß
ergibt, der von den Magneten ausgeht und sich in axialer Richtung nach außen erstreckt.
Die Wand 52 trägt nach innen -auf den Kreisel zu vorspringende,- einstückig ausgeführte
Leitringe 55 und 56, die aus elektrisch leitendem Werkstoff wie z. B. Aluminium
bestehen und in induktiver Wechselwirkung mit dem Drehfeld angebracht sind, das
durch die Magnete 54 erzeugt wird.
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Das rotierende Magnetfeld induziert Wirbelströme in den Ringen 55
und 56,die ihrerseits sich auf den Kreiselrotor auswirkende Drehmomente erzeugen.
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Irgendeine Abweichung der Drehachse des Kreisels von der Senkrechtstellung
zu der Achse DD (F i g. 2) des Ringes 55 und 56 bewirkt eine Veränderung des Gleichgewichts
der Drehmomente auf Grund des Wirbelstroms, so daß ein restliches Drehmoment auf
den Kreisel um die äußerte Kardanachse CC ausgeübt wird, wodurch eine Verdrehung
des Rotorträgers 20 - um die innere Kardanachse in einer Richtung bewirkt wird,
durch die der Kreisel wieder in die Bezugslage zurückgeführt wird. Um ein zusätzliches
Drehmoment um - die Achse CC des Kreisels zu erzeugen, das dem Reibungsdrehmoment
des Umlaufzählers 26 entgegenwirkt, wird der Ring 55 vorzugsweise etwas breiter
als der Ring 56 ausgeführt.
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Weil die zwischen der Eingangswelle 40 und dem Hebel 51 liegenden
Übertragungsglieder und eventuell weitere, noeh vor der Eingangswelle liegende Gestänge
eine Anzahl von Verbindungsstellen und relativ zueinander bewegliche Teile besitzen,
ist eine Reibung bei einer Bewegung der - Übertragungselemente zu erwarten. Hierdurch
wird ein Unterschied zwischen dem Drehmoment am Ausgang des vorgeschalteten Meßwandlers
und dem Drehmoment, das dem Kreisel zugeführt wird, bewirkt, so daß die Geschwindigkeit
der Präzession des Kreisels nicht exakt proportional dem Drehmoment am Ausgang des
vorgeschalteten Meßwandlers ist.
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Gemäß der Erfindung wird eine Anordnung vorgesehen, durch die periodisch
umkehrende Momente um die äußere Kardanachse CC während der Präzession des Kreisels
UDi diese Achse zugeführt werden.
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Dadurch wird eine oszillierende Bewegung des Kreisels um die innere
Kardanachse BB vixursacht. Diese oszillierende Bewegung wird rückwärts in die Übertragungselemente
- übertragen, wodurch die Wirkung der Reibung praktisch ausgeschaltet wird.
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In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die periodisch
sich umkehrenden Momente, die dem Kreisel um die äußere Achse zugeführt werden,
durch einen einfaclien und trotzdem~sehr wirkungsvollen KunstgrifF erreicht, indem
die Achse DD der Einsteliringe 55 und 56~um einige Grade von: der Lage der Parallelität
mit der äußeren Achse CC gekippt wird. Diese Schwenkung ist durch : den Winkel a
in Fig. 2 angedeutet. Dies ist der- Winkel zwischen der äußeren Achse CC und der
Achse DD der Einstellringe 55 und 56. Bei der praktischen-Erprobung
hat
sich eine Konstruktion als zufriedenstellend erwiesen, bei der der Winkel a etwa
30 beträgt. Da die Drehachse des Kreisels auf Grund des Angriffs von durch Wirbelströme
erzeugten Momenten um die äußere Achse bestrebt ist, in einer Ebene senkrecht zu
der Achse der Einstellringe zu bleiben, ist das Ergebnis dieser Anordnung, daß eine
Oszillation des Rotorträgers 20 um die innere Achse BB erfolgt, wenn der Kreisel
seine Präzessionsbewegung um die äußere Achse CC durchführt. Diese Oszillation des
Kreisels bewirkt eine entsprechende Bewegung der das Meßdrehmoment zuführenden Übertragungsglieder,
so daß in diesen die schädliche Ruhereibung ausgeschaltet wird. Wegen der sinusförmigen
Peridiozität dieser Vorgänge tritt eine Verfälschung des Ergebnisses der Umdrehungszählung
im Zähler 26 nicht ein.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind gemäß F i g. 3 die Einstellringe
55 und 56 so angebracht, daß ihre Achse mit der Hauptachse des Kreisels zusammenfällt
und deshalb keine oszillierende Bewegung verursacht wird. Ihre einzige Wirkung besteht
darin, die Drehachse des Kreisels senkrecht zur Hauptachse zu halten, d. h. den
Kreiselrotor in einer Bezugslage zu halten. Die sich periodisch umkehrenden Momente
werden bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Verwendung zweier Permanentmagnete
59 und 60 erreicht, die an dem Grundrahmen 22 bzw. an der Oberseite des Kardanringes
21 angebracht sind. Diese Magnete sind so gepolt, wie aus den eingezeichneten Polen
N bzw. S an benachbarten Enden der Magnete zu erkennen ist. Wenn sich der Kreisel
in der in F i g. 3 dargestellten Lage befindet, bei der die Magnete 59 und 60 parallel
verlaufen und bei der gleiche Pole einander gegenüberliegen, wird kein Moment um
die äußere Kardanachse ausgeübt. Dieser Zustand liegt auch dann vor, wenn der Kreisel
eine Präzessionsbewegung in eine Lage ausgeführt hat, die um 1800 von der gezeigten
verschieden ist, bei der gegenüberliegende Magnetpole das entgegengesetzte Vorzeichen
besitzen. Wenn sich jedoch der Kreisel in einer mittleren Lage befindet, wird ein
Moment um die äußere Achse auf Grund der Abstoßung gleicher Pole der Magnete und
der Anziehung zwischen entgegengesetzten Polen ausgeübt. Dieses Moment ändert sich
sinusförmig während der Präzession des Kreisels. Die Richtung dieses Moments wird
abwechselnd positiv und negativ während der Rotation des Kreisels, was eine Oszillation
des Rotorträgers 20 um die innere Achse
zur Folge hat. Dies führt in gleicher Weise
wie oben beschrieben wurde, zur Ausschaltung der in den Übertragungsgliedern erzeugten
Störeffekte durch Reibungskräfte.