DE1573640A1 - Drehmomentmesser - Google Patents

Description

Drehmomentmess er
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Bei der Durchführung von x^essungen des Drehmomentes, welches zwischen rotierenden Maschinenteilen wirksam ist, wird allgemein so -verfahren, dass entweder die vorhandene, kraftübertragende Verbindungswelle selbst, sofern sie unter Einwirkung des an ihr wirkenden'Drehmomentes eine gewisse Verdrehungselastizität aufweist, zur Bestimmung des Drehmomentes herangezogen wird, indem die Verdrehung dieser Welle ein Mass für das Drehmoment bildet. ·

Ist jedoch die auftretende Verdrehung, etwa in Folge einer geringen Länge der Uebertragungswelle, sehr klein, so dass sie zu einer Messung nicht geeignet ist, so werden anderseits sogenannte Einbaudynamometer verwendet, die dann aber eine Unterbrechung der Uebertragungswelle notwendig machen. Dieser Nachteil der das Einbaudynamometer mit sich, bringt wird in Kauf genommen, indem dasselbe den Vorteil der leichteren Eich- und Kontrollmöglichkeit aufweist.

9.4,65/hf

BAD GftfGINAL

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Eine Erhöhung der iiessgenauigkeit sowie der allgemeinen bes_r seren Handhabung dieser Drehmomentmesser ist in beiden Fällen durch die Anwendung elektrischer Messmethoden erzielt "wordei.. Bei den elektrischen Messmethoden wird normalerweise ein Geber, der ein weg- oder druckabhängiges Signal erzeugt, das, nach verschiedenen notwendigen Umformungen, einem Anzeigegerät zugeführt wird. ■ -

Aber auch diesen elektrischen Messmethoden-haften, je nach dem angewandten Prinzip, noch verschiedene Mangel an, z.I-, umständliche Eichung und erschwerte Auswertung des Sirnales, Tem_ peraturabhängigkeiten, Einfluss der Uebertragungsorgane auf den Messwert, unsichere IJullpunktlage, niederes Auflösungsvermögen rasch veränderlicher Drehmomente, umständliche Abführung des Signales vom rotierenden Geber u.s.f ...

Die schwerwiegendsten dieser Mangel werden durch die vorliegende Erfindung wesentlich vermindert, zum Teil fallen sie ganz weg, anderseits werden mit ihr bedeutende Vorteile geboten und neue Möglichkeiten, auch für indirekte Messmethoden, die sich auf eine Drehmomentmessung zurückführen lassen, erschlossen.

Die Erfindung besteht darin, dass der Drehmomentmesser in Kombination einen Regelkreis mit einer oder mehreren elektrisch gespiesenen Messkupplungen aufweist, deren beide gegeneinander verdrehbaren Teile durch magnetische Kräfte über einen Luftspalt aufeinander wirken und ferner im Regelkreis ein elektri-

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BAD N

sches jiessinstrument, wobei die beiden Steurkörper aufweisenden Kupplungsteil je auf einer der beiden drehenden Wellen befestigt sind.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden anschliessend anhand von Figuren erläutert. Es zeigt in schemat-ischer Darstellung:

Fig. 1 eine erste Ausführungsforrn eines Drehmomentmessers, Fig. la einen Ausschnitt aus einer Lichtsteuerscheibe des Drehmomentmessers nach Fig.. ■ 1,

Fig. 2 ein Funktionsbild des Messwertes E und des Drehmomentes G in Abhängigkeit der gegenseitigen Winkellage der Lichtsteuerscheiben der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 2a ein Bild analog demjenigen gemäss Fig. 2, mit verschobenem Nullpunkt,

Fig 3 ein drehmomenterzeugendes Element im Längsschnitt, Fig. 3a einen Schnitt durch das Element gemäss Fig. 3 nach .Linie III-III,

Fig. 3b eine Seitenansicht des Elementes gemäss Fig. 3 bei weggehobenen Spiegeln,

Fig. 4 und 4a ein Beispiel eines Eichdiagramme.s, aus welchem die Grosse des Drehmomentes in Abhängigkeit Von der Winkellage der elektrischen Kupplungsteile mit:dem.Stromwert als Schar Parameter ersichtlich-ist, . ·.-..' . . ,. Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Drehmomentmessers,.

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Fig. 6 - lobrundschaltungen von Drehraoraentmessern für verschiedene technische Anwendungsgebiete, Fig. 11 zeichnerisch den Grundgedanken der vorliegenden Erfingung.

In der Fig. 1 sind zwei V&len Wl und w2 zueinander koaxial und in Lagern,χ, χ drehbar angeordnet. Die einander zugekehrten Enden der beiden Wellen tragen je eine runde Scheibe, si und s2, welche gegen ihren äussern Rand hin mit einer gleichen Anzahl gleicher Oeffnungen ö versehen sind, die regelmässig am Umfang verteilt und konzentrisch zu den Scheibenmittelpunkten liegen. Auf der Welle wl sind ferner zwei, gegen die Welle elektrisch isolierte Schleifringe rl und r2 befestigt, auf-wel- . ehe stromzuführnde Bürsten bl und b2 aufliegen. An ihrem äusseren Ende trägt die Welle wl einen hufeisenförmigen permanenten Magneten m, während auf dem Ende der Welle w2 eine Drehspule d befestigt ist, deren elektrische Zuleitungen über zwei richtkraftschwache Leiterabschnitte ζ zu den beiden Schleifringen rl und r2 führen. Die Drehspule d ragt in das magnetische Feld des permanenten Magneten m hinein und kann sich darin um einen kleinen Winkel, der durch die in der Figur nicht dargestellten Ansehläge begrenzt ist, drehen« Die Drehspule befindet sichln einem stets homogenen Felde. Der Magnet m und die Drehspüle d bilden ein su~ sammenwirkendes System, das im Stande ist, ein Drehmoment von der einen auf die andere Welle zu übertragen. Dieses System wird als Drehmoment erzeugendes Element bezeichnet.

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BAD ORlGIi^L

Das von einer Lampe 1 ausgehende licht wird teilweise durch eine Optik Of zu einem Bündel paralleler Strahlen gerichtet, welche Strahlen senkrecht zur Scheibe si stehen» Dieses Lichtstrahlbündel u ist so bemessen, dass es stets eine . grössere Anzahl der Oeffnungen ö trifft (Figo la) und die durch die Oeffnungen ö gebildeten einzelnen Teilstrahlen u¹, sofern sich die Oeffnungen der beiden Scheiben ganz oder teilweise in Deckung befinden, gemeinsam auf eine Photozelle ph gelangen können. Je mehr Lieht im Gesamten auf die Photozelle auftrifft, um so grosser ist der in der Zelle erzeugte elektrische Strom. Dieser Photozellenstrom i wird in einem zugeschalteten, regulierbaren Verstärker Y wesentlich verstärkt. Er fliesst vom Verstärker V als sog. Messtrom E durch ein als Ampere-Meter ausgebildetes Messinstrument J zu den beiden Bürsten bl und b2 und zur Drehspule d, worin das durch diesen Strom erzeugte magnetische Feld der Spule mit dem Felde des permanenten Magneten ra zusammenwirkt, und ein Drehmoment erzeugt, welches die Spule gegenüber dem Magneten m zu drehen versucht; der Magnet m und die Spule d stellen also eine Kupplung zwischen wl und w2 dar.

Die Welle wl, die Scheibe si sowie die Schleifringe rl und r2 bilden zusammen ein Element A (Figur 1)\ Die Welle w2 und die Scheibe s2 bilden zusammen das zweite Element 5. Zu einem dritten Element C sind der Magnet m und die Spule d zusammenge-.fasst. Es stellt das drehmoment er ζ eugende Element dar«, Ferner

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BADORlGtNAL

bilden die Lichtquelle 1, die Optik ο und die Photozelle ph. durch Zusammenwirken mit den Scheibenöffnungen ö den sogenannten Fühler. Diese Zusammenfassungen sollen die Erklärung der Arbeitsweise des Gerätes und dessen Ableitungen erleichern.

Die Lampe 1, die Optik ο und die Phtozelle ph sind im Gerät ruhend mortiert, nehmen also an keinerlei Bewegung teil. Das Gerät arbeitet wie folgt:

Das Element A befinde sich in Ruhelage. Das Element B nimmt zu A eine derartige Stellung ein, dass sich die Oeffnungen ö der beiden Scheiben si und s2 genau in Deckung befinden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, so dass die grösstmögliche Lichtmenge auf die Photozelle gelangen kann. In dieser Stellung ist der Photozellenstrom i, der Messwertstrom E und das in C erzeugte Drehmoment am grössten. Alle diese Werte haben ihren Maximalwert erreicht. Diese Stellung ist die obere Extremstellung, welche die Elemente A und B zueinander einnehmen können. Wird die Relativstellung der beiden Elemente A und B bzw. die Stellung ihrer Oeffnungen zueinander durch Verdrehen des einen oder anderen Elementes soweit verändert, dass sich die Oeffnungen gerade mit keinem Teil mehr decken, so gelangt von der Lichtquelle aus kein Licht mehr nach der Photozelle. Der Photozellenstrom hat ein Minimum erreicht, der Messwertstrom E verschwindet, so dass das in C erzeugte Drehmoment ebenfalls auf Null absinkt. Diese Stellung der Elemente A und B zueinander bildet die untere Extrem·*

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badorIginal ^;

stellung. Der Verdrehungswinkel von einer zur anderen Kxtremstellung ist mit dem Buchstaben ^bezeichnet (Fig.2)· Das Element B dreht sich während des Betriebes des Gerätes relativ zu A stets innerhalb den Grenzen dieses Winkels "«" · Der Arbeitswinkel ν liegt somit während dem Betrieb des Gerätes stets innerhalb des Winkels V·

Da das Gegeneinanderverdrehen der beiden Scheiben si und s2 stetig, d.h. nicht sprunghaft erfolgt, ändert sich auch die gemeinsame Fläche der Oeffnungen u und u^! stetig und mithin ebenso die zur Photozelle gelangende Lichtenergie/ Daraus ergibt sich ein stetiger Verlauf des Stromwertes E und des durch den Strom erzeugtoi Drehmomentes G im Element C. E stellt ein Mass für die übertragene Kupplungsleistung dar. "

Das Drehmoment G ist in Abhängigkeit vom Winkel ν stetig verlaufend, das aber, wegen der unregelmässigen, nicht lirasar mit dem Winkel ν verlaufenden Querschnitteänderung des Licht« Strahls, eine gekrümmte Kennlinie aufweist» Linear verläuft, wenigstens in diesem Ausführungsbeispiel_f das BrshsusBnfc G in Abhängigkeit des Messwertstromes E, d.h. dass das Drehmoment G sich im ganzen Winkelbereich ν mit dem Messwert E genau proportional ändert, was für die Messung entscheidend ist, indem das Anzeigeinstrument J, als Amperemeter ausgebildet und als Drehmomentmesser geeicht, das Drehmoment G in Einheiten anzeigt*

Wie später begründet und erklärt, wird das Gerät in Messbereitschaft derart eingestellt, dass bei G .·». O bzw. E » O₉

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SAD ORIGINAL

der Winkel <' nicht gleich Null ist, so dass schon bei E-O etwas Licht auf die Photozelle gelangen kann· Der Messwert-Nullpunkt, der gleichbedeutend ist mit dem Arbeitsnullpunkt Q, erfährt dadurch im Diagram, wie aus Fig.2a ersichtlich, eine kleine Verschiebung nach rechts, die kennlinie eine entsprechende Verschiebung nach unten. Nimmt der Arbeitswinkel < von Q aus zu, so wird das Drehmoment G (Figur 2a) positiv, d.h. das Drehmoment G wirkt in der Drehrichtung des Elementes A. Nimmt der Arbeitswinkel von Q aus ab, werden £ und G negativ, so wirkt das Drehmoment G entgegen der Drehrichtung des Elementes A; durch diese Verschiebung des Arbeits-Nullpunktes wird erreicht, dass das Element B auch in der Nullage gegenüber dem Element A eine Richtkraft erhält·

Es ist möglich, dass ein zu messendes Objekt nicht nur bremsend, sondern u.U. auch antreibend, wenn auch nur Torübergehend, auf das Element B wirken kann. Ist dieser Zustand zu erwarten, so muss der Arbeits-Nullpunkt Q noch weiter nach rechts verlegt werden, was durch einfache Mittel möglich ist·

Die Verschiebung des Arbeitspunktes Q auf einen beliebigen Wert nach rechts, kann beispielsweise durch Zuschalten einer koc&anten Gegenspannung in Serie des Instrumentenkreises erreicht werden, wie dies der gestrichelt dargestellte Stromkreisausschnitt e in Fig.l zeigt. Ist diese Gegenspannung regulierbar, so kann damit der Arbeitepunkt Q auf der Nulllinie beliebig verschoben werden·

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BAD ORKSINAi

Die durch die Relativstellung der Elemente A und B bedingte Stärke des durchgelassenen Lichtstromes wird als "Signal" bezeichnet und läuft als solches, wenn auch in ganz verschiedener Energieform und Grosse, von den Oeffnungen ö an als Weg ---->·

Lichtstrom -——> Photoelektrischer Strom ^verstärkter

elektrischer Strom——-> magnetisches Feld ~——»Drehmoment —-—> Weg, wieder an seinen Ursprungsort ö zurück; das Signal durchläuft somit einen in sich geschlossenen Kreis, den "Signalkreis"·

Wird nun im Sinne der Erfindung das Element A durch irgend ein Antriebsmittel in eine, vorerst gleichbleibende Drehung versetzt, so wird das Element B, das mit A mechanisch nur über die richtkraftschwachen Zuleitungen ζ (Fig.l) verbunden ist, die Drehung von A nicht sofort mitmachen, also gegenüber A in der Drehung zurück bleiben· Das hat aber augenblicklich eine Zunahme des Lichtstromes auf die Photozelle zur Folge. In C wird ein Drehmoment erzeugt, dessen Dreheinfluss eine Abnahme des Lichtstromes bewirkt. Das zurückgebliebene Element B wird daher dem Element A nachgestellt und folgt der Drehung von A weiterhin nach. B wird somit b ewegungsmässig an A gekuppelt. Das Element B bleibt hinter den Element A, da vorerst, abgesehen von der Reibung, die durch die Drehung entstanden ist, keinerlei Kräfte hinzugekommen sind, wieder um denselben Winkel wie im Stillstand zurück. Das Instrument J zeigt also wiederum den Wert Null an.

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Nun werde an der Welle w2 ein die Drehung derselben hemmendes Moment von der Grosse H wirksam. Das Element B wird nun um einen zunehmenden Winkel * in der Drehung hinter A zurückbleiben, was aber in C ein ebenfalls zunehmendes Drehmoment auf B₁ in der Drehrichtung von A wirkend, auslöst, das soweit zunimmt, bis dieses der Grosse H, dem Bremsmoment entspricht, und ihm entgegengesetzt gleich ist· Der Winkel ⁱ- hat danneine bestimmte Grosse in bezug auf den Arbeitspunkt Q. ber Messwertstrom E, der dem Drehmoment proportional ist, wird am Instrument J als Bremsmoment H in entsprechenden Einheiten abgelesen.

In den Lagern χ des sich drehenden Elementes B wird eine, wenn auch geringe, Reibung auftreten. Ferner wird sich durch die Luftreibung am sich drehenden Element B ein weiteres hemmendes Moment geltend machen, das mit der Lagerreibung zusammen in den Messwert eingeht. Diese beiden Reibungswerte, die sich natürlich durch konstruktive Massnahmen weitgehend vermindern lassen, bleiben in einem gewissen Drehzahlbereich praktisch konstant. Sie werden daher als konstanter Wert in die Messung eingehen· Durch eine entsprechende Nullpunkt-Korrektur am Instrument J, kann dieser Einfluss der Reibung vor der Messung aus der Anzeige eliminiert werden.

Zur Verhütung unliebsamer Messfehler infolge Spannungsschwankungen wird vorteilhafterweise der Einbau von Spannungsstabilisatoren vorgesehen·

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Treten im Signalkreis innerhalb gewisser Grenzen bleibende Veränderungen auf , so findet während dem Ablauf dieser Schwankung eine selbsttätige Kompensation statt, die nach Erreichen des neuen Wertes beendet ist, so dass darnach die Anzeige am Instrument wieder genau erfolgt· Wieder ist hier während des Ueberganges auf den neuen Wert im Signalkreis die Steilheit der G /V- Kennlinie und die dynamischen Verhältnisse für die Fehlanzeige massgebend. Nach Ablauf der Schwankung und des Erreichens des neuen stabilen Wertes, ist lediglich die Lage des Arbeitspunktes auf der Nullinie etwas verschoben worden, aber die ursprüngliche Messgenauigkeit wieder erreicht.

Die Eichung kann im ruhenden Zustand des Elementes C erfolgen, da sich der Betriebszustand in dieser Hinsicht von dem der Ruhe nicht unterscheidet. Unter geordneten Verhältnissen wird das Anzeigeinstrument J den Wert Null zeigen. Wird nun, zweckmässig am Scheibenrand, auf das Element B eine tangential gerichtete Kraft, sei es mittels eines Gewichtes oder einer Federwaage ausgeübt, so zeigt das Instrument einen ganz bestimmten Wert, z.B* a Ampöre an. Das auf B ausgeübte Drehmoment ist zu berechnen als Produkt aus Scheibenradius r und Kraft von P.

Der vom Instrument angezeigte Wert von a Ampöre entspricht dem ausgeübten Drehmoment von G. Es sei

G : a - K

K ist dann die sog.Ablesekonstante, die durch diese Eichung bestimmt wird und wegen der Linearität zwischen dem Drehmoment G und dem Messwert E über den ganzen Skalenbereich des Instrumentes konstant ist.

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0AOORfGIRAl.

Beim nachfolgend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel gemäss den Fig.3, 3a und 3b ist zusätzlich zum drehmomenterzeugenden Element ein lösbarer Torsionsstab t angeordnet, dessen Federkonstante bekannt und dessen maximal zulässiges Moment etwa dem zu übertragenden Höchstdrehmoment entspricht. Der Kraftlinienweg des Drehmoment erzeugenden Elementes verläuft weitgehend in magnetisierbarem Eisen, wodurch ein höheres Drehmoment entsteht und das Gerät sich für die Messung höherer Drehmomente eignet· Ia weiteren ist an diesem Beispiel eine Schwingungsdämpfung erläutert, die unliebsame, die Messung verfälschende Drehschwingungen unterdrückt· Zum Ausgleich der Störung, die durch eventuell exzentrisches Laufen der Scheibenöffnungen verursacht wird, sind zwei Fühlerelemente angewendet, die auf die Wellen bezogen zueinander symmetrisch angeordnet sind. Zum Zwecke der Erzeugung einer besonders konstanten Winkelgeschwindigkeit, was für gewisse Messungen wichtig sein kann, ist die Verwendung eines Reibradgetriebes r und s3 vorgesehen (Fig.5), das ausserdem eine kontinuierlich einstellbare Umdrehungsgeschwindigkeit ermöglicht, indem, die Achse von r längsverschiebbar angeordnet ist·

Die Wellen wl und w2 (Fig.3) sind wiederum in horizontaler Lage koaxial zueinander dargestellt. Die Welle wl ist mit einer Längsbohrung zur Aufnahme eines koaxial angeordneten Torsionsstabeβ ver sehen. An seinem einen Ende ist der Torsionsstab t an seinem erwei terten Kopf durch einen lösbaren Keil ρ mit der Welle wl fest

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BADÖRlßWfAL

verbunden. Er kann sich bei entferntem Keil ρ in der Passung der Welle wl ,frei drehen. Die Well· wl endet als zylindrischer glockenförmiger Rotationskörper m, der aus magnetischem, weichem Material besteht und gegen die Welle w2 hin zylindrisch ausgedreht ist· Die Zylinderwandung endet in vier stirnseitigen, nasenförmigen Zähnen n, die über den Umfang gleichmässig verteilt sind. Die Anzahl der Zähne η ist beliebig. In dem zylindrischen Hohlraum des Körpers m ist eine Wicklung g isolierten Drahtes eingebettet, deren Enden zu den beiden, gegen die Welle wl isolierten Schleifringen rl und r2 geführt sind, die über die beiden Bürsten bl undb2 den Strom von ausseη zuleiten. Die Welle w2 trägt am äusseren Ende einen sternförmigen Anker a, der ebenfalls aus magnetischem, weichem Material besteht.

Dessen Zacken 10 befinden sich in der Nähe der Nasen n, ohne sie aber zu berühren (Fig.3a). Die beiden einander zugekehrten Flächen der Zacken und der Zähne η stehen um den Winkel h voneinander ab·

Das andere Ende des TorsionsStabes t ragt zentrisch in die Nabe des Ankers a hinein und ist mit dieser fest verbunden. So bildet der Torsionsstab bei eingesetztem Keil ρ mechanisch eine elastische Verbindung zwischen den Wellen wl uni w2. Wird durch die Wicklung g ein elektrischer Strom geleitet, so wird der Körper m magnetisiert. Die aus den Zähnen η des Körpers austretenden magnetischen Kraftlinien verlaufen über die vier Luftspalte bei b zu den Zacken 10 des Ankers a und kehren von der Steron»be aus über den zweiten Luftspalt s in den Körper a zurück. In der Figur 3 ist der ungefähre Verlauf dieser

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Kraftlinien k strichpunktiert angedeutet· In den beiden Luftspalten >..· und s werden magnetische Anziehungskräfte wirksam, die den Körper ra und den Anker a einander zu nähern versuchen. Die im Luftspalt s in achsialer Richtung wirkende Kraft wird durch ein Kugellager c aufgenommen, so dass die Grosse dieses Luftspaltes nicht verändert wird und sich die Wellen wl und w2 gegeneinander praktisch reibungsfrei drehen können. Die in den vier Luftspalten bei. v/irkenden Anziehungskräfte sind tangential gerichtet und bewirken daher ein Drehmoment zwischen wl und w2, was die eigentliche Aufgabe dieses Elementes C ist.

Der durch den Keil ρ festgehaltene Kopf des Torsionsstabes ist mit drei nebeneinander angeordneten Bohrungen zur Aufnahme des Keiles ρ versehen. Die drei Bohrungen nehmen verschiedene gegenseitige Winkelstellung zueinander ein, so dass der Anker a bei eingestecktem Keil ρ in die eine oder andere Bohrung jedesmal eine um einen gewissen Winkel verdrehte Lage einnimmt, d.h. dass der Versatz-Winkel drei verschiedene Werte aufweisen kann (Fig.4, Punkte 1,2 und 3). In Fig.3 ist der Einfachheit halber nur eine der drei Bohrungen dargestellt, üeber den Körper m ist ein als Rotationskörper ausgebildetes Gehäuse h aus nicht magnet!sierbarem Material geschoben, deren Nabenteil 11 die Nabe des Ankers a mit Gleitsitz umschliesst und mit dem Körper m zusammen, bedingt durch die Wirkung der Dichtungen d, einen gegen aussen abgeschlossenen Raum 12 bildet·

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Dieser Raum 12 kann mit einer mehr oder weniger zähen Flüssigkeit angefüllt werden, welche durch ihre dämpfende Wirkung, insbesondere in den Luftspalten bei - störende Resonanz-Drehschwingungen des Ankers verhindert. Auf der Welle w2 ist in geringem Abstande von dem Flansch des Körpers m eine runde Scheibe u befestigt, die eine grössere Anzahl gleicher und regelmässig verteilter Oeffnungen δ aufweist, welche im Bereiche des äusseren Randes der Scheibe in gleichem Abstand von der Scheibenmitte angeordnet sind. Die Scheibe u hat auf der sichtbaren Seite eine dunkle, nicht reflektierende Oberfläche. Die an sich ebenfalls nicht reflektierende Oberfläche des Flansches des Gehäuses h ist mit hellen, spiegelnden Flächen versehen, welche die gleichen Abmessungen aufweisen, wie die Oeffnungen ö der "Scheibe u.

In der Fig.3b ist die Stellung des Gehäuses h zur Scheibe u derart gewählt, dass die spiegelnden Flächen f des Flansches durch die Oeffnurgen 8 hindurch zum Teil sichtbar sind. Das Licht der Lampe 1 ^ wird durch die Optik ο ι zu einem parallelen Lichtstrahlbündel gerichtet, das vermittels der Blende el einen rechteckigen Querschnitt erhält und durch den Spiegel spl umgelenkt, mehrere der Oeffnungen 8 zugleich durchleuchtet. Diese Strahlen werden von den spiegelnden Flächen f, die mehr oder weniger weit unter die Oeffnungen treten, in grösseren - oder kleineren - Querschnitten zurückgeworfen und auf die Photozelle phl auftreffen.

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Die Umgrenzung des auf die Oeffnuig'en ö fallenden Lichtstrahls ist in Fig.3b durch die strichpunktierte Linie q angedeutet. ·

Ein zweiter Fühler genau gleicher Ausführung ist zum ersten um 180° versetzt eingebaut. Beide Fühler sind an einem Verstärker V (nicht dargestellt) angeschlossen, wo die geringen Photoströme addiert und um ein Vielfaches verstärkt werden. Dieser zweite Fühler ist vorgesehen für den Fall, dass die Oeffnungen δ geometrisch etwas voneinander abweichen oder dr gemeinsame Kreis, auf dem sich die Oeffnungen ö befinden, nicht genau zentrisch zum Scheibenmittelpunkt liegt. Dieses exzentrische Laufen der Oeffnungen hätte nämlich eine mit jedem Scheibenumlauf erfolgende, periodische Schwankung des Messwertes zur Folge, welche Störung auf diese Weise behoben werden kann. Das drehmomenterzeugende Element ist hier ein Drehmagnetsystem. Da das von der Spule erzeugte magnetische Feld vorwiegend durch magnetisierbares Material verläuft, lässt sich dieses System, wieder in Anlehnung an den Instrumenten^ au, mit einem eisengeschlossenen Messwert vergleichen, das als Kupplung arbeitet.

Wegen dem bei ό veränderlichen Luftspalt, verläuft das Drehmoment K in Abhängigkeit des erregenden Stromes (Messwert E), nicht mehr linear zu diesem. Daher wird es nötig, diese Abhängigkeit des Drehmomentes M vom Messwert E durch eine be—

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BAD

sondere Eichung zu bestimmen. Diesem Zwecke dient unter anderem der eingebaute Torsionsstab, auf dessen genau bekannter Federkonstante bei der Eichung abgestellt wird· Der Keil ρ wird nacheinander in die drei Bohrungen 1,2 und 3 gebracht, wodurch jedesmal der Winkel ö um einen gewissen Betrag vergrössert wird· Bei in die erste Bohrung eingestecktem Keil (Fig.4 und 4a) wird durch schrittweises Erhöhen des StromesvonIB über 2E, 3E und auf 4E, die Abhängigkeit des Winkels ,' von diesen Werten punktweise aufgenommen· Dieselbe Messung wird bei eingestecktem Keil* ρ in die Bohrungen 2 und 3 wiederholt· Die Verbindungslinie zusammengehöriger Punkte IE, 2E, 3E und 4E ergibt den Verlauf des Drehmomentes jeder dieser Werte vom Winkel _t: .

Die eingezeichnete Gerade a in Fig.4 drückt die Abhängigkeit des Drehmomentes M vom Messwert E aus, wenn der optische Fühler in Funktion gesetzt ist· Diese Abhängigkeit ist unterhalb der Fig.4 als Fig.4a graphisch dargestellt. Die Kurve geht durch den Arbeitspunkt Q· Der Arbeitswinkel, ν , der sich von Q aus nach rechts in der Figur erstreckt, wird, wie erläutert, durch einen möglichst steilen Anstieg der Kennlinie b klein gehalten* Da unterhalb des Arbeitspunktes Q das Drehmoment wiederum positiv wird, ist der Anker a in dieser Richtung durch einen Anschlag begrenzt· Durch eine besondere Anordnung kann auch die an der Rückseite der Ankersacken 10 wirkende magnetische Kraft vergrössert und damit ein besonderer Verlauf der betreffenden Kennlinien erzielt werden·

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Der Torsionsstab mit bekannter Federkonstante dient hier zur Aufnahme der ^ehmoment / Messwert-Kennlinie des Drehmagnetsystems; er kann aber selbstverständlich auch mit dem Drehmagnetsystem selbst zusammenarbeiten, d.h. an der i>rehmomentmessung mit diesem zusammen teilnehmen. Der Messwert E erfährt dadurch eine bestimmte Verkleinerung bzw. der Messbereich eine Vergrösserung um einen bestimmten Faktor, indem dann der Torsionsstab einen Teil des zu messenden Drehmomentes übernimmt .

Die in Fig.5 dargestellte weitere Variante eines Drehmomentmessers funktioniert grundsätzlich gleich wie die beiden vorbeschriebenen Konstruktionen. Die von der Lichtquelle L ausgestrahlte Lichtenergie wird an einem Parabolspiegel sp, zu einem parallelen Lichtbündel reflektiert, von welchem ein Teil, entsprechend dem Koinzidenzverhältnis durch die Oeffnungen ö der Scheiben si und s2 auf einen zweiten Parabolspiegel sp« gelangt, und von dort auf eine Photozelle ph reflektiert wird»

Für den vorliegenden Erfindungsgegenstand können grundsätzlich alle bisher als Fühler oder Geber bekannten Mittel angewendet werden, wie z.B.:

Piezoelektrische-, thermoelektrische-, Widerstands-, Messstreifen-, magnetoelastische sowie induktive-, kapazitive und optische Fühler·

Vorzugsweise werden die drei zuletzt aufgezählten Fühlerarten, insbesondere aber der optische Fühler, 'benützt. Der optische Fühler kann mit Blenden, Spiegeln - auch halbdurchläsaigen -

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BAD ORIGINi? ^ ^ ^

mit Durchlicht, mit Reflexion von hellen und dunkeln Flächen, sowie auch mit polarisiertem Licht arbeiten. Der Lichtstrahl kann ferner durch intermittierenden Strom in der Beleuchtungslampe oder durch rotierende Blenden, nötigenfalls in vfechsellicht umgewandelt werden und mit diesem arbeiten.

In den vorstehenden Ausführungen wurde hervorgehoben, dass der auf die Scheibe fallende Lichtstrahl so bemessen sein muss, dass er stets mehrere der Oeffnungen beleuchtet· Es kann durch Anbringen eines weiteren Fühlers, der unabhängig vom ersten arbeitet und zur Gewinnung eines besonderen Signales nach aussen und dessen beliebiger weitern Verarbeitung dient, dessen Optik aber nur eine einzige Oeffnung in den Scheiben auszuleuchten vermag, das System weiterhin verbessert werden. Nötigenfalls kann für diesen Fühler auch eine besondere Lochreihe in den beiden Scheiben vorgesehen werden. Dies gilt sinngemass auch für einen induktiv oder kapazitiv arbeitenden Fühler.

In der Folge sind Schaltmöglichkeiten der Elemerte A,B,C und F in einfachen Schemas dargestellt und erklärt (stehe Figuren 6-10).

Der nach Fig.6 geschaltete Drehmomentmesser stellt die prinzipielle Schaltung der beiden gegebenen Ausführungsbeispiele dar.

Bei der Schaltung gemäss Fig.7 werden auf das Element B zusätzliche Rotationskörper 15 mit unterschiedlichen bekannten Trägheitsmomenten gebracht. Die mechanische Leistung kann von*

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A aufgebracht werden. Es ist also auch möglich, den Messwert E in erwähnter Weise und durch Umordnung von C in der dargestellten Art. nicht mehr als Kupplungsleistung zuzuführen, sondern direkt als Motorenleistung auf das Element B zu geben. ·

C ist in diesem Fall als Motor mit umlaufendem Anker, der durch das Element B verkörpert wird, ausgebildet· Eine Leistungsabgabe nach aussen erfolgt nicht.

Biese Ausführung dient insbesondere als Drehbeschleunigungsmesser zur Bestimmung von Ungleichförmigkeitsgraden. Bei der in Fig.8 dargestellten Variante ist A wiederum, wie bei der Ausführung nach Fig,7, nur massgebend für die Drehbewegung. Die Welle von B ist sum Zwecke der Leistungsabgabe hinausgeführt* Durch die mechanische Entlastung von A, die die Anwendung von Reibrandantrieben begünstigt, ist dieses Prinzip für Geräte mit besonders genauer Drehzahl geeignet·

Bei der Ausführung nach Fig.9 wird die Stellung jedes Elementes für sich durch je einen eign-en Fühler in ein Signal umgewandelt und fortgeleitet· Der Vergleich der beiden Signale wird erst im Verstärker vorgenommen und darnach als verstärkter Messwert weiter gegeben· Dies lässt eine entfernte Anordnung der Elemente A und B voneinander zu. Dabei kann der Messwert entweder dem Element A (ausgezogene Linie) oder dem Element B zugeführt werden (gestrichelte Linie)·

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BAO ORiCSINAL

Diese Anordnung ist vorgesehen bei Prüf-und Eicheinrichtungen für Elektrizitätszähler.

Diese Einrichtung arbeitet nach einem kontinuierlichen Prinzip und ist daher für die Eichung und Prüfung von Zählern in kürzester Zeit besonders geeignet.

In der Ausführung gemässFig.10, insbesondere als Wärmemengenzähler geeignet, wird das Element A mit einer variablen Umdrehungsgeschwindigkeit angetrieben, beispielsweise durch einen rotierenden Mengenmesser, während das Element B in einem variablen Wert gebremst wird, z.B. durch ein temperaturabhängiges Organ. Der Messwert stellt dann das Produkt beider Werte dar»

Der beschriebene Erfindungsgegenstand ist ein kontinuierlich arbeitender Drehmomentmesser, der nach dem Prinzip der Selbstkompensation arbeitet und ein drehmomenterzeugendes Organ aufweist, das im wesentlichen auf der Kraftwirkung von magnetischen Feldern basierend arbeitet» Dabei ist dieses Organ in den Kraftfluss des zur Messung des Drehmoment dienenden Elementes eingeschaltet und mithin ebenfalls in Drehung versetzt, wobei zwischen dem für die Umdrehungsgeschwindigkeit massgebendön Teil und dem das Drehmoment abgebenden Teil ein gewisser relativer Verdrehungswinkel sugelassen wird, der durch ein zweites Organ, einen kraftaässig nicht rückwirkenden Fühler, der vorzugsweise nach

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einem optischen Prinzip arbeitet und dessen ebenfalls kontinuierlich verlaufendes Ausgangssignal auf ein Messinstrument oder ein anderes Auswertgerät gelangt, dem besagten drehmomenterzeugenden Organ wieder zugeführt wird und dort die Erzeugung des Drehmomentes verursacht, womit der Weg dieses Signales einen in sich geschlossenen Kreis bildet·

Fig.11 stellt das Wirkungsschema des Grundgedankens der vorliegenden Erfindung dar· Solche Schemas lassen sich von jeder der gegebenen Varianten darstellen und weisen erfindungsgemäss stets eine Kreisform auf.

Die Fig.11 zeigt zwei zueinander konzentrisch liegend3 Kreise· Der innere Kreis stellt, in Uhrzeigerrichtung vom Ursprung des Pfeiles H ausgehend, die einzelnen Wirkungsglieder des vollständigen Kreises dar. Zuerst erscheinen die beiden Steuerscheiben A und B mit ihren Drehachsen, dann folgt die Photozelle ph, der Verstärker V, das Messgerät J, die Bürsten bL und b2 mit den Schleifringen rl und r2 und endlich die elektromagnetische Kupplung C, deren beide Teile mit den Steuerscheiben A und B in (nicht dargestellter) Verbindung stehen, womit der Kreis der Wirkungsglieder geschlossen ist·

Der äussere Kreis der Fig·11 stellt den Umlauf des Wirkungssignales in seinen verschiedenen Energieformen dar· Vom Pfeil .K ausgehend, ist, wiederum in Uhrzeigerrichtung fortschreitend, zuerst die relative Verdrehung der Steuerscheiben

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gegeneinander durch das Winkelzeichen < ausgedrückt. Der Winkel \ bestimmt die Grosse des zur Photοzelle gelangenden Lichtstromes u', der seinerseits den Photözellenstrom i auslöst, der im Verstärker V einen analogen, verstärkten Strom E verursacht, welcher, der Kupplung zugeführt, eine magnetische Kraft, beziehungsweise ein Drehmoment M, zwischen den beiden Kupplurigsteilen bewirkt, dessen Grosse von E bzw. vom Winkel * abhängt· Dieser äussere Kreis ist mit einem veränderlichen Durchmesser"zu denken, der mit der Grosse des umlaufenden Signales zu-bzw·abnimmt. In der dargestellten .,'eise hat die Grosse des Eingangssignales ^v und damit döat Kreisdurchmessers einen gewissen Wert erreicht, was an der versinnbildlichten Skala auf dem Pfeil H angedeutet ist»

Die horizontal verlaufende, strichpunktierte Linie trennt in, der Fig.11 die rotierenden von den ruhenden Wirkungsgliedern des gesamten Kreises.

Das im Signalkreis eingefügte krafterzeugende Organ ersetzt mit diesem zusammen, funktionell eine mechanische Feder und kann, in Unterscheidung zu dieser, als "Elektrische Feder" bezeichnet werden.

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Claims (11)

JW Patentanspruches

1) Drehmomentmesser, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in Kombination einen Regelreis (s·,, s«, u,, ph, V, J, ^bl» ^ri» *» ^r2» ^b2» ^{Vj ph}^ "^ ^{einer oder} mehreren elektrisch gespiesenen Messkupplungen aufweist, deren beide gegeneinander verdrehbaren Teile durch magnetische Kräfte über einen Luftspalt aufeinander wirken und ferner im Regelkreis ein elektrisches Messinstrument, wobei die beiden Steuerkörper aufweisenden Kupplungsteile je auf einer der beiden drehenden Wellen b efestigt sind·

2) Drehmomentmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkörper (e·^, Sg) mit Schlitzen oder Oeffnungen (ö) versehen sind (Fig,la) und dass der Regelkreis eine oder mehrere Photozelleh (ph) aufweist, die von einer oder mehreren Lichtquellen gespeist werden·

3) Drehmomentmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur MomentÜbertragung zusätzlich ein Torsionsstab mitwirkt·

4} Drehmomentmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Regelkreis eine Stromquelle (e) zur Erzeugung einer Gegenspannung angeordnet ist»

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BAD ORfOfNAt

5) Drehmomentmesser nach Anspruch 1, dadurch zeichnet, dass die Antriebsseite zwecks Korn tanz der Drehzahl einen Reibradantrieb (r){Fig„5) aufweist»

6) Drehmomentmesser mit optischem Fühler- nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Parabolspiegel. C sp-. ,* sp₂) zur Parallelrichtung und zur Sammlung des Lichtes (FIg„5).

7) Drehmomentmesser mit optischem Fühler nash den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch Spiegel (spp sp,,.) ew Durchstrahlung mindestens eines Grossteils der ■ ■ Qeff nungeii (ö) der Steuerscheiben (Fig.3).

8) Drehmomentmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ dass die elektrische Messkupplung gedämpft ist«

9) Drehmomentmesser nach Anspruch 1,.-dqdurch. gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung des Trägheitsmomentes des einen Kupplurgsteiles der elektrischen Messkupplung Massen (15) vorbestimmter Trägheitsmomente mit diesem verbunden sind (Fig.7)·

10) Drehmomentmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Bestimmung der voneinander abweichenden Brehmoaente oder Umdrehungszahlen der beiden Wellen zwei Fühler (F^₉ F_g) zur separaten Abtastung angeordnet sind, a©wie xwei zugehörige Photometer CPh₁, ph«) (Fig.9).

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BAD ORlQiNAt

11) Drehmomentmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung dea Verhältnisses der Relativstellung ( ο ) der beiden Elemente (A,B) zum erzeugten Drehmoment (C) der Regelkreis einen regulierbaren Verstärker (V) aufweist·

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