DE1473863C3

DE1473863C3 - Vorrichtung zum Ausmessen metallisch umkleideter Hohlräume

Info

Publication number: DE1473863C3
Application number: DE19651473863
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Sedlmair
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-08-02
Filing date: 1965-08-02
Publication date: 1974-01-03
Also published as: DE1473863A1; DE1473863B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ausmessen von Querschnittsdeformationen metallisch umkleideter Hohlräume, insbesondere elektrischer Hohlleiter und Resonatoren der Höchstfrequenztechnik, bei der ein in den Hohlraum einführbarer Meßwertgeber, bestehend aus einem sich gegen die Hohlraumwandung abstützenden Isolierstoffkörper mit wechselstromgespeisten Oberflächensonden, den Abstand der Hohlraumwandung von den Sonden abtastet und die Abtastwerte in auswertbare elektrische Meßgrößen umbildet.

ίο Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art weist ein dem Hohlraumquerschnitt angepaßter Isolierstoffkörper (Meßwertgeber), der in wenigstens drei Punkten gegen die Innenseite der Hohlraumwandung abgestützt ist, an seiner Oberfläche ein oder mehrere Metallplättchen auf, welche zusammen mit der Hohlraumwandung über abgeschirmte Leitungen an eine Kapazitätsmeßeinrichtung angeschaltet sind. Die lichte Weite, welche im wesentlichen senkrecht auf die Fläche eines Metallplättchens gemessen wird, ergibt sich hierbei aus den bekannten Abmessungen des Isolierstoffkörpers, vermehrt um eine Länge, welche der elektrisch gemessenen Kapazität zwischen dem Plättchen und der gegenüberliegenden Hohlraumwandung umgekehrt proportional ist. Die Kapazitätsmeßeinrichtung, die beispielsweise "aus einer fehlabgeglichenen Wechselstrom-Meßbrücke mit einem Anzeigeinstrument im Brückenausgang besteht, erfordert hierbei jedoch einen relativ großen Schaltungsaufwand.
Weitere bekannte Vorrichtungen dieser Art besitzen Meßwertgeber, deren Oberflächensonden jeweils zwei einander gegenüberstehende, polschuhartige Teile eines magnetischen Kreises aufweisen. Der zwischen beiden Teilen bestehende Luftspalt wird durch die Hohlraumwandung oder einen auszumessenden metallischen Körper mehr oder weniger überbrückt, so daß die Induktivität einer mit dem magnetischen Kreis verketteten Spule in Abhängigkeit von dem Sondenabstand zur Hohlraumwandung variiert wird. Die Induktivitätsänderung gegenüber einer Vergleichsinduktivität wird dabei mittels einer wechselstromgespeisten Meßbrücke ermittelt, in die beide einbezogen sind.

Einer dieser bekannten Meßwertgeber ist im einzelnen in der Weise ausgebildet, daß ein längsverschiebbarer Meßfühler, der die auszumessende Hohlraumwand abtastet, seine Bewegung auf einen Teil des magnetischen Kreises überträgt und damit die Breite eines Luftspalts verändert. Allen diesen Vorrichtungen ist jedoch gemeinsam, daß Wechselstromleitungen bis zu den im Inneren der Meßwertgeber befindlichen Spulen geführt werden müssen, die bei größeren Genauigkeitsanforderungen geschirmt auszuführen sind. Eine weitere bekannte Vorrichtung zum Ausmessen metallisch umkleideter Hohlräume weist kapazitive Oberflächensonden auf, die einem oder mehreren Oszillatoren als frequenzbestimmende Elemente zugeordnet sind und daher ebenfalls über vorzugsweise geschirmte Wechselstromleitungen angeschlossen sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ausmessen von Querschnittsdeformationen metallisch umkleideter Hohlräume zu schaffen, die einerseits eine Aufwandsersparnis gegenüber den vorstehend beschriebenen, bekannten Vorrichtungen bietet und andererseits einen kompakten Aufbau gewährleistet, bei dem insbesondere die außerhalb des Hohlraums befindlichen Teile der Meßschaltung einfach und übersichtlich gehalten sind.

Dies wird bei einer Vorrichtung zum Ausmessen

von Querschnittsdeformationen metallisch umkleideter Hohlräume der eingangsgenannten Art gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Oberflächensonden jeweils an eigene, in den Isolierstoffkörper selbst eingebaute Gleichrichterschaltungen angeschaltet sind, die die an den Sonden abfallenden Wechselspannungen gleichrichten, und daß die Gleichstromanschlüsse der Gleichrichterschaltungen als Meßausgänge für die die elektrischen Meßgrößen darstellenden Richtströme (-spannungen) zugänglich gemacht sind.

Die Vorrichtung nach der Erfindung erlaubt es insbesondere, die von mehreren Oberflächensonden über eigene Gleichrichterschaltungen individuell abgeleiteten elektrischen Meßgrößen, die jeweils ein Maß für die Abstände der einzelnen Oberflächensonden von der gegenüberliegenden Hohlraumwandung darstellen, auf einfache Weise zu einer resultierenden elektrischen Meßgröße zusammenzusetzen, welche ein Maß für besondere Deformationsarten, z. B. eine mehrzählige Symmetrie aufweisende Querschnittsverformung bei Hohlräumen mit Kreisquerschnitt (elliptische Deformation, Dreiecksdeformation usw.) bedeutet. Bei einer derartigen Bestimmung mehrzähliger Symmetrien ist es zusätzlich erforderlich, je nach Art der zu ermittelnden Deformation jeweils bestimmte Anordnungen der Oberflächensonden am Umfang des Meßwertgebers zu wählen, d. h. die Anordnung der Oberflächensonden der gestellten Meßaufgabe anzupassen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Querschnittsdarstellung nach Fig. 1 ist ein aus einem zylindrischen Isolierstoffkörper 2 bestehender Meßwertgeber in einen auf Querschnittsdeformationen zu untersuchenden, metallisch umkleideten Hohlraum 1, insbesondere Hohlleiter mit kreisförmigem Querschnitt, eingeführt. Man erkennt am Isolierstoffkörper 2 zwei von insgesamt vier Gleitstützen 3, 4, die eine seitliche Abstützung des Isolierstoffkörpers gegen die Hohlraum wandung bewirken. Wie aus Fig. 1 ferner ersichtlich ist, enthält der Isolierstoffkörper an seiner Unterseite mehrere in Achsrichtung hintereinander angeordnete Metallkugeln 5, die in Käfigen drehbar gelagert sind. Die Metallkugeln rollen bei einer Längsbewegung des Isolierstoffkörpers 2 auf der Hohlleiterwandung und verhindern, daß er sich hierbei um seine Längsachse verdreht.

In der Ausbildung des Meßwertgebers nach Fig. 1 besteht eine Oberflächensonde S aus einer kapazitiven Elektrode, welche mit dem gegenüberliegenden Teil der Hohlraumwandung 1 eine Kapazität bildet. Eine Meßwechselstromquelle 6 ist über den Innenleiter 7 einer Koaxialleitung sowie über eine Vorschaltkapazität C_v mit der Oberflächensonde 5 verbunden, während der zweite Pol der Wechselstromquelle 6 an die Hohlraumwandung 1 angeschaltet ist. Die Frequenz der Wechselstromquelle 6 liegt beispielsweise im Bereich von 0,5 bis 1 MHz.

Der Oberflächensonde 5 ist eine Gleichrichterschaltung zugeordnet, die in Ausnehmungen des Isolierstoffkörpers 2 selbst eingebaut ist. Sie besteht im einzelnen aus dem Gleichrichter G und dem Sieb- und Entkopplungswiderstand R, die jeweils einpolig an die Sonde 5 angeschaltet sind, sowie aus einer an einen Gleichstromanschluß 8 angeschalteten, geschirmten Leitung 9, die zu einer außerhalb des Isolierstoffkörpers 2 befindlichen Klemme 10 geführt ist. Bei 10 tritt die (der) als elektrische Meßgröße bezeichnete, von der Gleichrichterschaltung gelieferte Richtspannung (Richtstrom) auf, der (die) ein Maß für die Größe der zwischen der Sonde S und der gegenüberliegenden Hohlraumwandung gebildeten Kapazität C_e und somit ein Maß für den Abstand der Hohlraumwandung von S darstellt. Falls die Vorschaltkapazität C_v klein gegenüber C_e ist, erfolgt die Speisung von 5 mit einem eingeprägten Wechselstrom, woraus folgt, daß die an Ce abfallende Spannung dem Abstand der Hohlraumwandung von S¹ direkt proportional ist. Gleichzeitig wird durch Vorschaltung von C_v die Messung von Frequenzschwankungen der Wechselstromquelle unabhängig.

Wie dem Ersatzschaltbild nach Fig. 2 entnommen werden kann, das sich auf einen Meßwertgeber nach Fig. 1 bezieht und in dem die einzelnen Schaltungsteile mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind wie in Fig. 1, ist ein die Gleichrichterschaltung ergänzender Siebkondensator C außerhalb des Isolierstoffkörpers 2 angeordnet. An die Klemme 10, welche den Meßausgang darstellt, ist ein Meßinstrument 11 und zweckmäßigerweise ein Registriergerät 12, z. B. Streifenschreiber, angeschlossen.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform eines Meßwertgebers nach der Erfindung im Querschnitt dargestellt. Hierbei ist die Oberflächensonde S als Induktivität ausgebildet, deren offener Kern 13 gegen die Hohlraumwandung 1, die z. B. Rechteckquerschnitt aufweist, gerichtet ist. An die Stelle der Vorschaltkapazität C_v in Fig. 1 tritt hier zweckmäßigerweise eine Vorschaltinduktivität 14 mit einem Schalenkern. Unter Umständen kann diese Vorschaltinduktivität durch einen Vorschaltwiderstand ersetzt werden. Bei dieser Ausführung ist neben dem Gleichrichter G auch ein Siebkondensator C im Isolierstoffkörper 2 selbst angeordnet. Die Speisung der Oberflächensonde S erfolgt über den Innenleiter 15 und den Außenleiter 16 einer Koaxialleitung von einer Meßwechselstromquelle 17. Von dem Verbindungspunkt 18 zwischen dem Siebkondensator C und dem Gleichrichter G verläuft eine vorzugsweise geschirmte Leitung 19 zu einer außerhalb des Isolierstoffkörpers angeordneten Klemme 20, an der wieder entsprechend der Klemme 10 in Fig. 1 eine Richtspannung (Richtstrom) abgreifbar ist, die (der) ein Maß für die Induktivität der Oberflächensonde S und damit für den Abstand der Sonde S von der Hohlraumwandung 1 darstellt.

Fig. 4 zeigt das Ersatzschaltbild für den in Fig. 3 dargestellten Meßwertgeber mit den dort verwendeten Bezugszeichen für die einzelnen Schaltungsteile. Hieraus ist ersichtlich, daß ein Sieb- und Entkopplungswiderstand 21 der Gleichrichterschaltung außerhalb des Isolierstoffkörpers 2 angeordnet ist. Die Auswertung der am Meßausgang 20 auftretenden Richtspannung (Richtstrom) erfolgt mittels eines Meßinstruments 22 und/oder mittels eines Registriergerätes 23, das beispielsweise aus einem Streifenschreiber besteht.

Zum Ausmessen von Querschnittsdeformationen mehrzähliger Symmetrie bei Hohlräumen mit Kreisquerschnitt wird ein nach der Erfindung ausgebildeter Meßwertgeber verwendet, bei dem mehrere Oberflächensonden in einer Querschnittsebene in gleichen Winkelabständen angeordnet sind, deren Anzahl r = 2 m ist, wenn eine /n-zählige Symmetrie festgestellt werden soll. In diesem Fall können die Elemente der den einzelnen Sonden individuell zugeordneten Gleichrichterschaltungen zweckmäßigerweise in Boh-

rungen des Isolierstoffkörpers 2 angeordnet sein, welche etwa in Ebenen liegen, die durch die Zylinderachse und die betreffenden Sondenmittelpunkte bestimmt sind.

Bezeichnet man hierbei die zur Bestimmung einer dreizähligen Symmetrie erforderlichen sechs Oberflächensonden mit S₁... S₆ und die an den Meßausgängen der einzelnen Gleichrichterschaltungen abgreifbaren elektrischen Meßgrößen mit O₁...a₆, so können die letzteren zu einer resultierenden elektrischen Meßgröße d gemäß der Beziehung

a — O₁ — C₂ + O₃ — U₁ + α₅ — a₆

linear kombiniert werden. Vorzugsweise erfolgt eine Teilkombination der jeweils gleiches Vorzeichen aufweisenden elektrischen Meßgrößen in der Weise, daß die einzelnen Meßausgänge an die Steuereingänge von Röhren oder Transistorverstärkern geführt werden, deren Ausgangsströme über einen gemeinsamen Arbeitswiderstand fließen. Die auf diese Weise gebildete Summengröße der mit positivem Vorzeichen versehenen Meßgrößen O₁, a₃ und a₅ sowie die analog gebildete Summengröße der mit negativem Vorzeichen versehenen, übrigen Summanden werden sodann in an sich bekannter Weise voneinander abgezogen.

Zur Durchführung einer kontinuierlichen Messung wird der Meßwertgeber kontinuierlich durch den Hohlraum bewegt, beispielsweise an einer Zugleine, wobei eine Anzeige oder Registrierung der elektrischen Meßgrößen bzw. der resultierenden elektrischen Meßgrößen vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Bewegungsverlauf des Meßwertgebers erfolgt. Eine Anzeige wird von den Instrumenten 11 bzw. 22 geliefert, während eine Registrierung durch die Geräte 12 bzw. 23

ίο erfolgt, die beispielsweise als Streifenschreiber oder bei einer digitalen Auswertung als Meßwertdrucker ausgebildet sind. Aus den mittels der Geräte 12 und 23 erhaltenen Meßkurven lassen sich durch Fourier-Analyse etwa vorhandene Perioden quantitativ erfassen.

Schaltet man weiterhin an die Meßausgänge der Vorrichtung einen Voltsekundenzähler oder Wattsekundenzähler, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Gleichstromverstärkers, an, so erhält man bei der kontinuierlichen Messung im ersteren Fall eine direkte Anzeige des Mittelwertes der Deformation, im letzteren Fall eine Anzeige des quadratischen Mittelwertes. Somit ist durch die kontinuierliche Messung eine rasche Erfassung der interessierenden Querschnittsdeformationsdaten, insbesondere von Hohlleitern der Höchstfrequenztechnik, möglich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Ausmessen von Querschnittsdeformationen metallisch umkleideter Hohlräume, insbesondere elektrischer Hohlleiter und Resonatoren der Höchstfrequenztechnik, bei der ein in den Hohlraum einführbarer Meßwertgeber, bestehend aus einem sich gegen die Hohlraumwandung abstützenden Isolierstoffkörper mit wechselstromgespeisten Oberflächensonden, den Abstand der Hohlraumwandung von den Sonden abtastet und die Abtastwerte in auswertbare elektrische Meßgrößen umbildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächensonden (S) jeweils an eigene, in den Isolierstoffkörper (2) selbst eingebaute Gleichrichterschaltungen (C, C, R) angeschaltet sind, die die an den Sonden abfallenden Wechselspannungen gleichrichten, und daß die Gleichstromanschlüsse der Gleichrichterschaltungen als Meßausgänge (10, 20) für die die elektrischen Meßgrößen darstellenden Richtströme (-spannungen) zugänglich gemacht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächensonden (S) als kapazitive Elektroden ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächensonden (S) als Induktivitäten mit offenen, vorzugsweise gegen die Hohlraumwandung (1) gerichteten Kernen (13) ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächensonden (S) an eine Wechselstromquelle (6, 17) über Vorschaltimpedanzen (C_v, 14) angeschaltet sind, die groß gegenüber den Impedanzen der Oberflächensonden (S) sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (2) Kreisquerschnitt aufweist und in einer Querschnittsebene in gleichen Winkelabständen mehrere Oberflächensonden (S) enthält, deren Anzahl vorzugsweise ζ = 2m für m = 1,2,3 usw. ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausmessen von Querschnittsdeformationen m-zähliger Symmetrie bei Hohlräumen mit Kreisquerschnitt die von den ζ = 2m Oberflächensonden abgeleiteten elektrischen Meßgrößen O₁, a₂ ■ ■ · ^azm zu einer resultierenden elektrischen Meßgröße d gemäß der Beziehung

a' = U₁ —

a₃ — ... —

linear kombiniert werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (2) zum kontinuierlichen Ausmessen von Querschnittsdeformationen langgestreckter Hohlräume in Richtung der Hohlraum-Längsachse bewegbar ist und eine Anzeige oder Registrierung der elektrischen Meßgrößen vorzugsweise in Abhängigkeit vom Bewegungsverlauf des Meßwertgebers erfolgt.