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Schutzrohrkontakten, oder bei äußerst kleinen offenen Kontakten ist
eine solche direkte Kraftmessung unmöglich bzw. außerordentlich schwierig. Dabei
ist jedoch die möglichst genaue Kenntnis dieser Kräfte
gerade bei
sehr kleinen Kontakten, insbesondere bei Schutzrohrkontakten, von besonders großer
Bedeutung, da die in Frage stehenden Kräfte bei diesen Kontakten wegen der quadratischen
Abhängigkeit von den linearen Abmessungen der Kontaktglieder ohnehin vergleichsweise
niedrig sind.
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Bei einem Kontakt, dessen Kontaktglieder flußführende Teile des Magnetkreises
bilden, wie dies beispielsweise bei Schutzrohrkontakten der Fall ist, ist die magnetische
Zugkraft im wesentlichen von dem Querschnitt der als Kontaktzungen ausgebildeten
Kontaktglieder abhängig. Sie kann in einem gewissen Bereich durch die Größe des
als Polfläche wirkenden Überlappungsbereichs zwischen den Kontaktzungen variiert
werden: Bei einer Vergrößerung dieser Polfläche steigt die magnetische Zugkraft
im Bereich großen Kontaktabstands an, bei kleinem Kontaktabstand sinkt sie ab.
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Der wichtigste Parameter für die Dimensionierung der mechanischen
Rückstellkraft ist die wirksame Länge der betreffenden als einseitig eingespannte
Blattfeder ausgebildeten Kontaktzunge. Die Querschnittsfläche der Kontaktzungen
ist - wie bereits erwähnt - im wesentlichen durch die erforderliche magnetische
Zugkraft festgelegt. Das Seitenverhältnis dieser Querschnittsfläche, d. h. das Verhältnis
zwischen Dicke und Breite der Feder, wird bei gekapselten Kontakten weitgehend durch
den Herstellungsprozeß, insbesondere durch die Einschmelzung der Kontaktzunge bestimmt.
Damit läßt sich die Steifigkeit der von der Kontaktzunge gebildeten Feder, die für
die erreichbare Kontaktöffnung maßgebend ist, nur noch durch Änderung der wirksamen
Federlänge beeinflussen.
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Wenn die Kontaktzungen beispielsweise als Rechteckfedern ausgebildet
sind, ist die Federsteifigkeit der dritten Potenz der wirksamen Federlänge umgekehrt
proportional. Hieraus ergibt sich, daß ein asymmetrischer Aufbau des Kontakts, ein
Aufbau also, bei dem eine der Kontaktzungen möglichst kurz und die andere vergleichsweise
lang ist, bei gleichen Kräften eine geringere Längsausdehnung besitzen kann als
ein symmetrisch aufgebauter Kontakt. Bei einem solchen wird jede der Kontaktzungen
zwar jeweils nur um einen Betrag ausgelenkt, der der halben Kontaktöffnung entspricht,
wegen der wesentlich größeren Federsteifigkeit jedoch ergeben sich bei gleicher
Baulänge größere Rückstellkräfte als bei der asymmetrischen Form.
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Die Kontaktkraft, die eine der wichtigsten Funktionsgrößen für die
Kontaktgüte bildet, ist nach der Festlegung der magnetischen Zugkraft und der mechanischen
Rückstellkraft im wesentlichen nur noch durch die Dicke des auf die Kontaktzungen
aufgebrachten Kontaktmaterials variierbar, das als unmagnetische Zwischenlage wirksam
ist. Eine Vergrößerung der Schichtstärke des Kontaktmaterials bewirkt ein Absinken
der Kontaktkraft. Die Kontaktkraft ist bei Schutzrohrkontakten besonders großen
Schwankungen unterworfen, da sie aus der Differenz zweier toleranzbehafteter Größen,
nämlich der magnetischen Zugkraft und der mechanischen Rückstellkraft, gebildet
ist.
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Aus den vorangehenden Betrachtungen wird deutlich, daß der optimalen
Festlegung der an einem Kontakt auftretenden Kräfte beim konstruktiven Entwurf eine
zentrale Bedeutung zukommt. Es hat sich gezeigt, daß diese Kräfte rein rechnerisch
nicht mit der erforderlichen Genauigkeit ermittelt werden können. Die Messung dieser
Kräfte im praktischen Betrieb ist, wie bereits erwähnt, bei geschlossenen Kontakten
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haupt nicht, jedenfalls nicht zerstörungsfrei, und bei sehr kleinen offenen
Kontakten nur unter beträchtlichen Schwierigkeiten möglich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine genaue und zerstörungsfreie
Ermittlung der interessierenden Kräfte an Originalkontakten ermöglichen. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die zu prüfenden Kontakte in einer mit
einstellbarer Winkelgeschwindigkeit antreibbaren Zentrifuge beschleunigt werden
und daß die unter dem Einfluß der Beschleunigungskräfte auftretenden Schaltzustandsänderungen
(Öffnen oder Schließen) der Kontakte in einem über die Schaltstrecke des Kontakts
verlaufenden Meßstromkreis ermittelt und dem Augenblickswert der Winkelgeschwindigkeit
der Zentrifuge und damit den auf die Kontaktglieder einwirkenden Beschleunigungskräften
zugeordnet werden.
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Erfindungsgemäß werden die Kontaktglieder durch die Fliehkraft der
Zentrifuge jeweils so weit ausgelenkt, bis die die jeweils zu ermittelnde Kraft
charakterisierende Schaltzustandsänderung des Kontakts eintritt. Die mechanische
Rückstellkraft beispielsweise wird aus derjenigen Winkelgeschwindigkeit der Zentrifuge
abgeleitet, bei der der Kontakt ohne Einwirkung magnetischer Zugkräfte geschlossen
wird. Die Korrelation zwischen der Winkelgeschwindigkeit der Zentrifuge und den
auf die Kontaktglieder einwirkenden Kräften kann entweder empirisch ermittelt oder
mit hinreichender Genauigkeit berechnet werden. Dabei zeigt sich erwartungsgemäß,
daß die interessierenden Kräfte dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit und der Dichte
des Kontaktmaterials proportional sind. Der Proportionalitätsfaktor, der für einen
gegebenen Kontakttyp eine Konstante darstellt, beinhaltet die geometrischen Größen
der Kontaktglieder und den wirksamen Halbmesser der Zentrifuge. Bei Kenntnis des
Proportionalitätsfaktors, der empirisch oder rechnerisch ermittelt werden kann,
läßt sich die jeweils zu ermittelnde Kraft unmittelbar der Drehzahl zuordnen, so
daß die Vorrichtung zur Messung bzw. Einstellung der Drehzahl unmittelbar in Krafteinheiten
geeicht werden kann.
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Die unter dem Einfluß der Fliehkraft der Zentrifuge auftretenden
Auslenkungen bzw. Verformungen der Kontaktglieder entsprechen nicht den Verformungen,
die diese im »Originalbetrieb« erfahren: Während bei einem unsymmetrischen Schutzrohrkontakt
die beiden Kontaktzungen sich unter dem Einfluß der magnetischen Zugkraft einander
nähern und schließlich berühren, werden sie bei der Beschleunigung in der Zentrifuge
in der gleichen Richtung, nämlich radial nach außen, ausgelenkt. Infolge der Unsymmetrie
der Zungen, die entsprechend unterschiedliche Federkonstanten zur Folge hat, ist
diese Auslenkung jedoch unterschiedlich groß, so daß die zur Schaltzustandsänderung
(Schließen bzw. Öffnen) des Kontaktes erforderliche Relativbewegung der Kontaktzungen
zustande kommt. Die Unterschiede zwischen der Verformung im »Originalbetrieb« und
bei der Beschleunigung in der Zentrifuge sind für die Ermittlung der gesuchten Kräfte
unbeachtlich, da der Zusammenhang zwischen Federkraft und Federauslenkung im interessierenden
Auslenkungsbereich hinreichend linear ist. Voraussetzung ist nur, daß die Verformung
in einem Bereich stattfindet, in dem die Kontaktzungen noch nicht an die Wandung
ihres Gehäuses anstoßen.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einstellbarer Winkelgeschwindigkeit antreibbare
Zentrifuge vorgesehen ist, die wenigstens eine Aufnahmekammer zur Aufnahme eines
zu prüfenden Kontaktes und wenigstens ein Schleifringpaar besitzt, über das der
die Kontaktstrecke dieses Kontaktes beinhaltende Meßstromkreis verläuft. Zur Messung
der Kontaktkraft eines Arbeitskontaktes bzw. der Rückstellkraft eines Ruhekontaktes
muß der betreffende Kontakt magnetisch betätigt werden. Zu diesem Zweck ist die
Zentrifuge mit einer Magnetisierungsvorrichtung ausgerüstet, die ein Dauermagnet
sein kann oder eine Magnetspule, die über wenigstens einen weiteren Schleifring
mit einer nicht mitrotierenden Energiequelle verbindbar ist.
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Zur Vermeidung von Unwuchten ist ein möglichst symmetrischer Aufbau
der Zentrifuge vorzusehen. Es empfiehlt sich, die Zentrifuge mit einer Mehrzahl
von Aufnahmevorrichtungen für zu prüfende Kontakte auszustatten, die auf einer zur
Zentrifugenachse konzentrischen Kreislinie in gleichen Winkelabständen angeordnet
sind.
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Als Antrieb für die Zentrifuge eignet sich ein Gleichstromnebenschlußmotor,
da dieser in einem sehr weiten Drehzahlbereich regelbar ist. Dieser Motor kann gleichzeitig
zur Abbremsung der Zentrifuge dienen.
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Damit erübrigt sich eine mechanische Bremse, die vergleichsweise genau
arbeiten müßte, um Schäden zu vermeiden, die Unwuchten hervorrufen.
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Die Meßeinrichtung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit bzw. der
Drehzahl der Zentrifuge ist vorzugsweise als digitale Meßeinrichtung ausgebildet
und kann, wie bereits erwähnt, direkt in Krafteinheiten geeicht sein. Die Meßeinrichtung
kann von Impulsen gesteuert werden, die durch an den Aufnahmevorrichtungen für die
Kontakte vorgesehene magnetische Abschirmungen in einer feststehenden Induktionsspule
induziert werden.
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Es ist jedoch auch möglich, einen drehfest mit der Zentrifugenachse
verbundenen Synchrongenerator als Steuerquelle für die Anzeige der Drehzahl zu verwenden.
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Im folgenden sei die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert:
F i g. 1 zeigt schematisch den Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens; die Fig. 2 bis 8 veranschaulichen die Verformung der Kontaktglieder
im praktischen Betrieb einerseits und bei der Messung andererseits.
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Zunächst sei der Aufbau der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung
kurz beschrieben: Die Vorrichtung besitzt eine rotierbare Scheibe 1, die drehfest
mit der Welle eines Gleichstromnebenschlußmotors 2 verbunden ist.
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An der rotierbaren Scheibe 1 sind zwei gleichartig aufgebaute Meßköpfe
3 und 4 angebracht, die einander in gleichem Abstand von der Zentrifugenachse gegenüberstehen.
Aus der geschnittenen Darstellung des Meßkopfes 3 ist der innere Aufbau der Meßköpfe
erkennbar. Sie besitzen eine Erregerspule 6 zur Betätigung der zu prüfenden Kontakte.
Weitere Bestandteile sind die Mittel zur Kontaktierung und Einspannung der zu messenden
Kontakte 5. Diese Mittel bestehen z. B. aus federbelasteten Kontaktstiften 7. In
seinem Innern bildet jeder Meßkopf eine Aufnahmekammer, in die der zu prüfende Kontakt
5 leicht eingelegt werden kann.
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Die Erregerspule 6 und die Kontaktstifte 7 sind mit
Schleifringen
8, 9 und 10 verbunden, die ihrerseits elektrisch mit einer Anschlußklemme 11 zur
Zuführung der Spulenerregung bzw. mit Anschlußklemmen 12 und 13 zur Anzeige des
Kontaktzustands in Verbindung stehen. Über eine Anschlußklemme 14 wird die Speiseenergie
für den Antriebsmotor 2 zugeführt.
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Regelbare Widerstände 15 und 16 dienen zur Regelung der Motordrehzahl
bzw. zur Einstellung der magnetischen Erregung der Erregerspule 6. Ein drehfest
mit der Welle des Antriebsmotors 2 verbundener Synchrongenerator 17 liefert Ausgangsimpulse,
die in einem Drehzahlmesser 18 angezeigt werden.
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Zur Messung der mechanischen Rückstellkraft wird der Kontakt 5 so
in den Meßkopf der Zentrifuge eingelegt, daß die lange Kontaktzunge, die die kleinere
Federsteifigkeit besitzt, zur Zentrifugenachse weist. Bei steigender Drehzahl wird
dann die lange Zunge durch die Fliehkraft gegen die außenliegende kurze Kontaktzunge
gedrückt Der Zeitpunkt des Schließens wird elektrisch angezeigt. Der diesem Zeitpunkt
zugeordnete Augenblickswert der Zentrifugendrehzahl ist ein Maß für die gesuchte
mechanische Rückstellkraft.
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Um den Zusammenhang zwischen der Zentrifugendrehzahl und der mechanischen
Rückstellkraft des Prüflings zu ermitteln, müssen die Auslenkungen der Kontaktzungen
im Schließzeitpunkt betrachtet werden.
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Dabei müssen die Auslenkungen, die im praktischen Betrieb auftreten,
mit den Auslenkungen verglichen werden, die die Kontaktzungen in der Zentrifuge
erfahren. Dieser Zusammenhang sei an Hand der F i g. 2 bis 5 erläutert. Die F i
g. 3 und 5 stellen vergrößerte Ausschnitte aus den F i g. 2 bzw. 4 dar. Bei magnetischer
Erregung, d. h. im Betriebsfall, verlassen beide Kontaktzungen ihre Ruhelage und
nähern sich infolge der gegenseitigen magnetischen Anziehung einander. Im Zeitpunkt
der Kontaktgabe wirkt auf beide Kontaktzungen die Rückstellkraft Fr ein. Die kurze
Kontaktzunge ist dabei um den Betrag fke ausgelenkt, das freie Ende der langen Kontaktzunge
hat den Weg fie zurückgelegt. Die Summe beider Auslenkungen entspricht der Kontaktöffnung
ho. In der Zentrifuge erfahren beide Kontaktzungen Auslenkungen, die aus der als
Streckenlast wirkenden Zentrifugalbeschleunigung resultieren. Die kurze Zunge entfernt
sich unter dem Einfluß der auf sie wirkenden Streckenlast (Kraft pro Längeneinheit)
um den Betrag fks aus ihrer Ruhelage. Im Zeitpunkt der Kontaktgabe hat daher die
lange Kontaktzunge einen Weg fis zurückgelegt, der um diesen Betrag fks größer ist
als die Kontaktöffnung ho.
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Aus dem Vergleich von F i g. 3 und 5 ergibt sich folgende Beziehung:
fie = fIsfkefks (1) Zur Ermittlung der Abhängigkeit der Rückstellkraft Fr von der
Zentrifugendrehzahl sei im folgenden vereinfacht angenommen, daß beide Kontaktzungen
durchgehend den gleichen Querschnitt aufweisen und daß die Rückstellkraft Fr jeweils
am Zungenende angreife.
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Die Auslenkung fe> die eine einseitig eingespannte Rechteckfeder
unter der Einwirkung einer Einzellast Fr erfährt, ist
worin E den Elastizitätsmodul, I das Flächenträgheitsmoment
und
1 die wirksame Biegelänge der Feder bedeutet.
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Die Durchbiegung der gleichen Feder unter dem Einfluß einer Streckenlast
sist:
Mit diesen Beziehungen erhält man aus Gleichung (1) die Rückstellkraft Fr.
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worin @ und lk die freie Länge der langen bzw. kurzen Kontaktzunge
bedeuten.
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Die der Zentrifugalkraft entsprechende Streckenlast sist s = n2.4#2#qr,
wobei n die Drehzahl der Zentrifuge, q die Querschnittsfläche der Kontaktzungen,
Q die Dichte des Materials der Kontaktzungen und rden Beschleunigungshalbmesser
der Zentrifuge bedeutet.
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Faßt man die geometrischen Größen der Kontaktzungen, den Beschleunigungshalbmesser
der Zentrifuge und die Rechenfaktoren zu einer Konstanten k zusammen, erhält man
die gesuchte Rückstellkraft Kr als Fr = n2 Q k.
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Zur Messung der Kontaktkraft wird der Kontakt so in die Aufnahmekammer
des Meßkopfes 3 eingelegt, daß die lange Zunge unter dem Einfluß der Fliehkraft
von der der Zentrifugenachse zugewandten kurzen Zunge weggedrückt wird. Vor dem
Anlauf der Zentrifuge wird der Kontakt über die Erregerspule 6 betätigt. Dabei wird
derjenige Wert des Erregerstroms eingestellt, bei dem die Kontaktkraft Fk ermittelt
werden soll. Sobald
eine Drehzahl erreicht ist, die eine der Kontaktkraft Fk entsprechende
Streckenlast bewirkt, trennt sich die lange Kontaktzunge von der kurzen, was durch
die elektrische Kontaktgabeanzeige festgestellt wird.
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Zur Bestimmung der Kontaktkraft Fk aus der Drehzahl n der Zentrifuge
müssen wieder die in der Zentrifuge und die im praktischen Betrieb auftretenden
Auslenkungen der Kontaktzungen miteinander verglichen werden: Im praktischen Betrieb
sind die Kontaktzungen bei geschlossenem Kontakt durch die Einwirkung der magnetischen
Zugkraft ausgelenkt.
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Durch die Kontaktkraft selbst entsteht keine Durchbiegung der Kontaktzungen
( F i g. 6).
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Beim Messen in der Zentrifuge verändert die lange Kontaktzunge ihre
Lage durch die auf sie einwirkende Streckenlast und durch die an ihrer Spitze wirkende
Einzellast, die im Augenblick der Kontaktöffnung der Kontaktkraft entspricht Beide
Durchbiegungen, die mit fis bzw. tiebezeichnet seien, wirken einander entgegen.
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Die kurze Kontaktzunge wird ebenfalls unter dem Einfluß der Streckenlast
um den Betrag fks ausgelenkt.
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Ferner erfährt sie dadurch eine (gleichgerichtete) Durchbiegung fke,
daß die Kontaktkraft Fk von der langen Zunge her an ihrer Spitze angreift. Es gilt
demnach: fls-fle = fks + fke bzw.
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fle = fls - fke - fks.
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Dieser Ausdruck entspricht formal der Gleichung (1), die für die
Rückstellkraft ermittelt wurde. Hieraus ergibt sich, daß die Beziehung zwischen
der Drehzahl der Zentrifuge und der auf die Kontaktzungen wirkenden Kraft für die
Rückstell- und die Kontaktkraft die gleiche ist. Der Drehzahlmesser 17 der Zentrifuge
kann deshalb in Krafteinheiten geeicht werden, die für beide Kräfte gelten.