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Elektrische Abstandsmesseinrichtung Die Erfindung betrifft eine elektrische
Abstandsmesseinrichtung zum Messen des Abstandes zweier gegeneinander bewegter Teile
j, Insbesondere Ílir Gleitlager mit Hilfe einer kapazitiven Sonde, welche in den
einen der beiden bewegten Telle eingebaut ist und die eine Bdegung eines Kondensators
bildet, wobei der andere Tell d. ie andere belegung darstellt.
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Zur Abstandsmessung insbesondere in Gleitlagern zwischen der Lagerschale
und der Welle verwendet man elektrlsche Messmethoden., die die e Aenderung aer Kapzaität
bei abstandsänderungen feststellen. Man kann hiermit die Spalthöhe zwischen Lagerschale
und Welle messen (Schering und vieweg, Zwitschrigft für angewandte Chemie 1926,
Seite 1114). Die Kapazitätsänderungen kann man # HI : rxartl c : ri f' t .elLen
crlermrnn karna d L ; oa : iti, Ll 3 ; : a : ». l teil eines resonanzkreises ansehen,
weicher eine bestimmte Fr# quenz in einem Oszillator erzeugt, wobei die Aenderung
der @@-(itte. @azltät dann eine Aenderung der Frequenz bedingt. Diese @@@
methode
wird als bekannt vorausgesetzt.
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Die Schwierigkeit ist die Art und Weise, wie die Kapazität mUglichst
unabhängig von Temperatur und anderen EinflUssen zwischen Schale und Welle festgestellt
wird. Hierfür müssen verschiedene Belingungen gestellt werden. Das Feld zwischen
den Belegungen des Kondensators muss homogen sein, die meist aus Oel bestehende
Schmierschicht zwischen Schale und Welle muss 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 mitänderb.
Aenderungen der Dielektrizitätskonstante durch die Temperatur und Aenderungen der
Länge, der Dicke derverwendetenSon"-den für die Messeinrichtung dürfen keinen Einfluss
auf die Messung au @süben. Ausserdem muss die Messgenauigkeit sehr hoch sein, da
die Abstände zwischen Lagerschale und Welle im allgemeinen sehr klein, meist unter
1/10 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
einfuhren,dLevonderLagerschaleisoliertsind.Hierzuverwendet man kleinere, isolierte
Plättchen, die in die Lagerschale eingeb@@@ werden (VDI-Forschungsheft 352 aus dem
Jahre 1932). Diese @@llen @ber noch nicht die oben gestellten bedingungen und ert
@@@@ laher nicht die erforderliche genauigkeit. Der Temperaturel@@lus; insbesondere
auf die Ausdehnung der Plättchen ist wohl t;':<.'Lti...'t;;.!,u!PJLättchenselbstnichtHrns'!'.inu.esistnber
da@@ auch @@ @@@@zität sehr klein, sodas; celativ die Genauigkeit
dadurch
stark beeinflusst wird. Der Temperatureinfluss auf die Dielektrizitätskonstante
kann nicht ohne weiteres ausgeschaltet werden. Ausserdem sind die kleinen Plättchen
den mechanischen Anforderungen nicht gewachsen und es muss darauf geachtet werden,
dass these Sonden genügend bldicht sind und kein Oel durch den Zuführungskanal fUr
die elektrischen Zuleitungen aus der Lagerschale herausdringt. Man hat daher diese
Sonden durch seitliche Schrauben fest angeschraubt und mit Kunstharz verkleidet
(Dissertation von H. KnUlle, TH Karlsruhe 1962). Diese Sonden kdnnen nur mit grossem
Aufwand ausgewechselt werden. Die Isolation ist dort nur mit RUcksicht auf den Temperatureinfluss,
auf die Zähigkeit des Materiales und nicht darauf abgestellt gewesen, dass die Messung
unabhSngig von den verschiedenen Temperaturen des ers durchgeführt werden muss.
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Bisher ist die Aufgabe der vQlligen Temperaturunabhängigkeit nicht
geldst worden und daher sind bei allen bisher verwendeten Systemen entweder Korrekturkurven
erforderliche die eine betriebsmässige Messung erschweren, oder überhaupt keine
genügende Temperaturunabhängigkeit gewahrleistet. Betriebsmässig wird ebenfalls
elle gute Auswechselbarielt und eine stabile AusfUhrung verlangt.
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Diese Aufgabe soll mit der Erfindung erfUllt werden. Erfindungsgemkss
wird daher 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 g grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt als des Lagerschalenmaterial,
und dass die Dicken der Glasplatte
und der Belegungsplatte so aufeinander abgestimmt sind, dass die Kapazltkt infolge
der WSrmeausdehnung und uer temperaturbedingten Aenderung der DielektrizltKtskonÆante
sich praktisch nicht Hndert, . Die Verwendung von Glas als Isolierplatte zwischen
der Lagerschale und der Belegungsplatte hat den grossen Vorteil, dass der WErmeausdehnungskoeffizient
bei Glas ausserordentlich klein ist (0, 5.10CVCQ),sodass er praktisch vernachlKssigt
werden kann. Die Belegungsplatte selbst macht man dann aus beispielsweise Aluminium,
das einen grdsseren und zwar angenkhert doppelt so grossen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt wie die Lagerschale aus $tahl (23, 8. 10"°gegenüber11.10'). Dies ermöglicht
die gleiche W§rmeausdehnung zu erhalten, wenn man die Dicke der Aluminiumplatte
etwa halb so gross macht wie die SEhldicke, 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 Materialien, die Khnllche
Bedingungen erfUllen, kUnnen hierbei verwendet werden.
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Die Kapazitdt der Sonde zwischen der Belegungsplatte und der Welle
Andert sich nun nicht nur durch den Abstand zwischen Welle und Lagerschale, sondern
auch bei Aenderungen der Dielektrizitätskonstante des Medlumc zwischen beiden Belegungen,
also des Oeles.
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Diese Aenderung kann man durch Korrekturkurven berucksichtigen, wobei
aber die Temperatur selbst bekannt sein muss. Man kann sie aber auch unmittelbar,
wenigstens angenKhert kompensieren, indem
man die Dicke der Belegungsplatte
so wthlt, dass sie sich etwas hbher ausdehnt als das entsprechende Lagermaterial.
Da die Dielektrizitätskonstante mit der Temperatur abnimmt, wird dann der Abstand
etwas kleiner als der tatsächliche Abstand zwischen Lagerschale und Welle, sodass
die Verkleinerung der XapazltSt durch die veränderte Dielektrizithtskonstante wieder
ausgeglichen wird. Bei der genauen Durchrechnung gilt dies genau nur fUr einen bestimmten
Abstand von Lagerschale und Welle. Man legt daher der Bemessung einen mittleren
Abstand zugrunde. FUr Betriebsmessungen ist dies aber dann genau genug.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Figur 1 zeigt einen Schnitt durch die Messonde und Figur 2 die
zugehdrige Messchaltung.
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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 mUgllchst genau und unabhkngig von der Temperatur zu messen. Zu diesem Zwecke
besitzt die Schale eine Oeffnung 3, in welche die Messonde eingerMhrt 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 HUlte 6 ist
in die Lagerschale eingeschraubt und hält die Sonde in der Schale fest. Diese Hülse
ist durch eine Olaahülse 7 von dem Stift 8, der die elektrische ZufUhrung bildet,
isoliert. Auf diesen Stift sind die Adern 10 der Zuführungeleitung 9 aufgepresst.
11 ist der laollermantel den Kabels.
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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.
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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
BelegungsSlatte umso grosser sein als der Ausdehnungskoeffizient der Lagerschale,
wie die Dicke kleiner als die der Schale ist. Als Material hat sich hierfür Aluminium
als gUnstig erwiesen, es kann aber auch Blei gewEhlt werden.
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Um nun noch die Aenuerurig uer Dielektrizitätskonstante mit der Temperatur
berücksichtigen zu können, macht man die Dickeninderung zwischen Belegungsplatte
und Lagerschale nicht genau gleich, sondern lässt die Belegungsplatte sich mehr
ausdehnen als die Lagerschale. Die DlelektrizltWtskonstante nimmt mit hdherer Temperatur
ab, sodass dann die SapazltEt kleiner werden würde. Dadurch aber, dass die Belegungsplatte
sich stärker ausdehnt-als die sie umgebende Lagerschale, wird diese Verkleinerung
der KapazitEt wieder durch Verkleinerung des Abstandes ausgeglichen.
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Die Vertiefung, in welche die Glasplatte und die Belegungsplatte eingelegt
sind, macht man zweckmässigerweisr ein wenig graisser,
als die Summe
der Dicken beider Platten. Die Belegungsplatte liegt dann innerhalb der Vertiefung
und kann unter keinen Umstrnden bei sehr kleinen Abständen die Welle als erste berühren,
auch wenn der Ausdehnungskoeffizient eine grbssere Ausdehnung bewirkt als bei der
umgebenden Lagerschale.
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Um die Sonde gegen etwa austretendes Oel völlig dicht zu machen, wird
das eingeführte Kabel 9 gegenüber der Sondenwand mit Hilfe von Giessnarz abgedichtet.
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Die Verschraubung der HUlse 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.
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Die Figurazeigt die an sich bekannte Schaltung des Gerätes.
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Die Sonde bildet einen Teil eines Resonanzkreises des Oszillators
12. In diesem ist also eine Induktivität zu denken, welche mit der MesskapazitSt
zusammengesehaltet ist. Der Oszillator erzeugt mit Hilfe dieses Resonanzkreises
eine Spannung mit der Resonanzfrequenz. Aendert sich nun der Kapazitgtswert der
Sonde, so wird auch die ResonallzRrequenz gekndert 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
YerstSrkungseinrichtungen dazwischengesehaltewerden.
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Die Vorteile der Anordnung sind also, eine Messeinrichtung zu erhalten,
die unabhängig von der Temperatur den Abstand zwischen Lagerschale und Welle zu
messen gestattet und weitgehend den Temperatureinfluss auf die Dielektrizitätskonstante
berück-0 sichtigt. Dazu kommt, dass durch die starre Befestigung der Sonde in der
Schale auch der Druckeinfluss praktisch verschwindet.