DE446828C

DE446828C - Device for measuring torques, in particular on rotating shafts

Info

Publication number: DE446828C
Application number: DES70752D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Karl Eisenzapf
Original assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Priority date: 1925-07-14
Filing date: 1925-07-14
Publication date: 1927-07-12

Description

Vorrichtung zum Messen von Drehmomenten, insbesondere an umlaufenden Wellen. Die Messung von Drehmomenten, insbesondere bei umlaufenden Wellen, bereitet große Schwierigkeiten. Der Verdrehungswinkel ist in der Regel nur klein und muß auf optischem Wege bestimmt werden. Für jeden zu ermittelnden Wert sind verschiedene Einstellungen notwendig, die zeitraubend sind und erst nach Umrechnung die gesuchten Werte ergeben. Eine Vergrößerung des Verdrehungswinkels läßt sich in den meisten Fällen nicht durchführen, weil die Stärke und Länge der Welle mit Rücksicht auf Durchbiebgungen und Überlastung begrenzt sind. Insbesondere muß dafür gesorgt werden, daß Überbeanspruchungen ausgeschlossen werden, weil durch sie die der Überbeanspruchung folgenden ließresultate beeinflußt werden. Gemäß der Erfindung wird nun eine zu den Abstimmelementen eines elektrischen Schwingungskreises gehörige Kapazität oder Selbstinduktion derart angeordnet, daß dieselbe durch die Verdrehung des einen Wellenendes verändert wird.Device for measuring torques, especially on rotating Waves. The measurement of torques, especially with rotating shafts, prepares great difficulties. The angle of twist is usually only small and must can be determined optically. There are different values for each value to be determined Settings are necessary which are time-consuming and which are only sought after conversion Values. An increase in the angle of rotation can be in most Cases do not perform because of the strength and length of the wave with consideration Deflections and overload are limited. In particular, it must be ensured that that overuse is excluded because it means that overuse let the following results be affected. According to the invention now one belonging to the tuning elements of an electrical oscillatory circuit Capacitance or self-induction arranged in such a way that the same by the rotation of one end of the shaft is changed.

Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. i ist die Meßwelle. Die Verdrehung des geschwächten Teiles dieser Welle dient als Maß für das Drehmoment. An einem Ende des geschwächten Teiles der Welle ist isoliert die Metallscheibe 2 befestigt. Aus ihr sind Segmente herausgeschnitten, so daß sie die in Abb. 2 dargestellte Form erhält. An Stelle der Metallscheibe 2 können auch kreissektorförmige Scheiben treten, die an einem die Welle umschließenden Ringe befestigt sind. In beiden Fällen ist-dafür zu sorgen, daß der Schwerpunkt der Anordnung mit der Drehachse zusammenfällt, um Verschiebungen dusch die Zentrifugalkraft zu vermeiden. Gegenüber der Scheibe 2 ist die ebenso ausgebildete Scheibe 3 befestigt, und zwar derart, daß sie durch das Rohr 5 starr mit dem rechten Teil der Welle l verbunden ist. Die Scheiben 2 und 3 -,verden zweckmäßig so gegeneinander versetzt, daß die Aussparungen der einen Scheibe von denen der anderen zur Hälfte verdeckt werden. Das Kugellager .4 dient dazu, die Lage des freien Endes des Rohres 5 'gegenüber der Welle i zu sichern. Verdrehungen der Welle werden bei dieser Anordnung Verschiebungen der Scheiben 2 und 3 gegeneinander hervorrufen. Um die dabei auftretende Kapazität zwischen den Scheiben verwerten zu können, kann man jede Scheibe über Schleifringe leitend mit einem feststehenden Teil verbinden; man kann aber auch, wie es in der Abb. i dargestellt ist, die Scheiben mit den Enden einer Spule 6, die an der `Felle befestigt ist, verbinden. Läßt man die Spule 6 induktiv auf eine feststehende Spule 7 einwirken, so lassen sich - die Kapazitätsänderungen durch Änderungen des scheinbaren Widerstandes der Spule ,7 bestimmen. Die Abstände zwischen den Spulen 6 und 7 werden zwecks Erhöhung der Kopplung möglichst gering gehalten. Der Durchmesser der Spulen wird zweckmäßig bedeutend größer gewählt als der Durchmesser der Welle i, und zwar deshalb, weil die Induktivität dieser Spulen durch die durch die Welle gebildeten Kurzschlußwindungen vermindert wird. Ist jedoch der Spulendurchmesser groß gegenüber der Welle, so kommt die Verminderung der Induktivität praktisch nicht in Betracht.Fig. I shows an embodiment of the invention. i is the measuring shaft. The twisting of the weakened part of this shaft serves as a measure for the torque. The metal disk 2 is insulated at one end of the weakened part of the shaft attached. Segments are cut out of it so that they are the ones shown in Fig. 2 Shape. Instead of the metal disk 2, circular sector-shaped disks can also be used occur, which are attached to a ring surrounding the shaft. In both cases it must be ensured that the center of gravity of the arrangement coincides with the axis of rotation, to avoid displacements shower the centrifugal force. Opposite the disc 2, the disc 3, which is also formed, is attached in such a way that it passes through the tube 5 is rigidly connected to the right part of the shaft l. The discs 2 and 3 -, verden appropriately offset from one another so that the recesses of one Half of the disc are covered by those of the others. The ball bearing .4 is used to secure the position of the free end of the tube 5 'relative to the shaft i. With this arrangement, rotations of the shaft become displacements of the disks 2 and 3 cause against each other. To the thereby occurring capacity between the To be able to recycle discs, each disc can be conductively carried out via slip rings connect a fixed part; but you can also, as shown in Fig. i is, the discs with the ends of a coil 6, which is attached to the `skins, associate. If the coil 6 is allowed to act inductively on a stationary coil 7, so can - the changes in capacitance through changes in the apparent resistance the coil, 7 determine. The distances between the coils 6 and 7 are used to increase the coupling is kept as low as possible. The diameter of the coils becomes appropriate chosen to be significantly larger than the diameter of the shaft i, namely because the inductance of these coils due to the short-circuit turns formed by the shaft is decreased. However, if the coil diameter is large compared to the shaft, then it comes the reduction of the inductance is practically out of the question.

Fügt man die Spule 7 in den Gitterkreis einer rückgekoppelten Hochvakuumröhre ein, so ändert sich die erzeugte Wellenlänge mit den Änderungen der Kapazität zwischen den Scheiben 2 und 3, mithin also mit den Verdrehungen der Welle i. Durch Überlagerung mit einer konstanten Frequenz kann man die Änderungen der von der Kapazität zwischen den Platten ,-2 und 3 abhängigen Frequenz sehr genau messen, so daß die Verdrehungen der Welle i an einem Meßinstrument abgelesen «-erden können.If one adds the coil 7 in the grid circle of a feedback high vacuum tube a, the generated wavelength changes with the changes in capacitance between the disks 2 and 3, therefore with the rotations of the shaft i. By overlaying with a constant frequency one can see the changes in the capacitance between Measure the plates, -2 and 3 dependent frequency very precisely, so that the rotations of the wave i can be read on a measuring instrument.

Eine derartige Schaltung ist in Abb. 3 dargestellt. 'Mit S ist eine Vakuumröhre bezeichnet. Zwischen Gitter und Kathode dieser Röhre liegt die Spule 7, die auch in Abb. i die gleiche Bezeichnung trägt. 6 ist die an der Meßwelle befestigte Spule, g eine Kapazität, die als Kapazität zwischen den Scheiben 2 und 3 (->Lbb. il gedacht ist. Im Anodenkreis der Röhre S liegt die Anodenbatterie io und die Spule ii. Die Kapazität r2 dient als Rückkopplungskondensator. Die Röhre ist also als Schwingungserzeuger geschaltet und erzeugt elektrische Schwingungen, deren Wellenlänge von der Kapazität c) (Kapazität zwischen Scheiben,-> und 3, Abb. i) abhängt. 13 ist ein Hochfrequenzerzeuger in der üblichen Schaltung. Die in der Spule ii auftretenden und die vom Hochfrequenzgenerator 13 erzeugten Schwingungen werden in den Spulen i4., 15 überlagert und der Vakuumröhre 16, die als Gleichrichter wirkt, zugeführt. In der Spule 17 fließt dann ein Wechselstrom, der die Schwebungsfrequenz besitzt. Er wirkt auf den Schwingungskreis 1S, der so abgestimmt ist, daß die durch die Verdrehungen der Welle i (Abb. i) hervorgerufenen Änderungen der Sch«-ebungswelle auf einem-Aste der Resonanzkurve dieses Scliicingungskreises «-andern. Die im Schwingungskreise ib auftretenden Hochfrequenzströnte, die den Verdrehungen der Welle i entsprechen, «erden dann in der als Gleichrichter geschalteten Vakuumröhre 10 gleichgerichtet und dem lleßinstrument -2o zugeführt. Ist die gesamte Anordnung einmal geeicht, so kann man am Meßinstrument 2o die jeweilige Verdrehung der Welle i, also das von der Welle übertragene Drehmoment ablesen.Such a circuit is shown in Fig. 3. 'S is a vacuum tube. The coil 7, which also bears the same name in Fig. I, is located between the grid and the cathode of this tube. 6 is the coil attached to the measuring shaft, g is a capacitance which is intended as a capacitance between the disks 2 and 3 (-> Lbb The tube is connected as a vibration generator and generates electrical vibrations, the wavelength of which depends on the capacitance c) (capacitance between panes, -> and 3, Fig. I). 13 is a high frequency generator in the usual circuit. The vibrations occurring in the coil ii and those generated by the high-frequency generator 13 are superimposed in the coils i4., 15 and fed to the vacuum tube 16, which acts as a rectifier. An alternating current which has the beat frequency then flows in the coil 17. It acts on the oscillation circuit 1S, which is tuned in such a way that the changes in the stress wave caused by the twisting of the shaft i (Fig. I) change on one branch of the resonance curve of this oscillation circle. The high-frequency currents occurring in the oscillation circuit ib, which correspond to the rotations of the shaft i, are then rectified in the vacuum tube 10, which is connected as a rectifier, and fed to the measuring instrument -2o. Once the entire arrangement has been calibrated, the respective rotation of the shaft i, that is to say the torque transmitted by the shaft, can be read on the measuring instrument 2o.

Die gleiche Schaltung kann auch vorteilhaft verwendet werden, wenn durch die Verdrehung der Welle nicht eine Kapazität sondern eine Induktivität verwendet wird. Eine solche Anordnung ist in Abb..l dargestellt. 2r ist die Meßwelle, die mit Bunden 22 und 23 versehen ist, um zwei Querschnitte der Welle festzulegen. Am Bund 22 sind Spulen 24 befestigt. Am Bund 23 ist das Rohr 25 befestigt, dessen Lage gegenüber der Weile durch das Kugellager 26 bestimmt ist. An diesem Rohr sind Scheiben 27 und -2S angebracht, die zweckmäßig aus Kupfer hergestellt sind und den Spulen 2..1 gegenüberstehen. Die Induktivität dieser Spulen hängt von der jeweiligen Lage der Metallscheiben (Kurzschlußwindungen) ab. Diese verändert sich aber mit der Verdrehung der Welle. Die Spulen 2.4 sind in Reihe geschaltet. Das eine Ende ist finit der die Welle unischließenden Spule 29 verbunden, das andere Ende ist unter Zwischenschaltung der unveränderlichen Kapazität 3o mit dem anderen Ende der Spule 29 verbunden. Die Spule 29 ist mit der feststehenden Spule 31 fest gekoppelt, die an Stelle der Induktivität 7 (Abb. 3) tritt. Die Änderungen der Induktivität rufen die gleichen Wirkungen hervor wie die Änderungen der Kapazität 9 (Abb. 3).The same circuit can also be used advantageously if, due to the rotation of the shaft, not a capacitance but an inductance is used. Such an arrangement is shown in Fig.1. 2r is the measuring shaft, which is provided with collars 22 and 23 to define two cross sections of the shaft. Coils 24 are attached to the collar 22. The tube 25 is attached to the collar 23, the position of which is determined by the ball bearing 26 with respect to the while. Disks 27 and -2S are attached to this tube, which are expediently made of copper and face the coils 2..1. The inductance of these coils depends on the respective position of the metal disks (short-circuit windings). However, this changes as the shaft rotates. The coils 2.4 are connected in series. One end is finitely connected to the coil 29 which closes the shaft, the other end is connected to the other end of the coil 29 with the interposition of the invariable capacitance 30. The coil 29 is firmly coupled to the stationary coil 31 , which takes the place of the inductance 7 (Fig. 3). The changes in the inductance produce the same effects as the changes in the capacitance 9 (Fig. 3).

Es kann zweckmäßig sein, um mechanische Schwingungen der Systeme zu verhüten, die Anordnung in ein Metallgehäuse 32 einzuschließen und dieses Gehäuse mit Öl zu füllen.It can be useful to control mechanical vibrations of the systems avoid enclosing the assembly in a metal housing 32 and this housing to fill with oil.

Eine andere 'Möglichkeit, Änderungen einer Kapazität oder Induktivität von der umlaufenden Welle nach einem feststehenden Teil zu übertragen, besteht darin, zwei Spulen in möglichst großer Entfernung um die Welle zu legen. Die Spulen werden dann hintereinandergeschaltet und zwischen die noch freien Enden die veränderliche. Kapazität oder Selbstinduktion gelegt.Another 'way of changing a capacitance or inductance To transmit from the rotating shaft to a stationary part consists in Place two coils as far away as possible around the shaft. The coils will be then connected in series and the variable between the still free ends. Capacitance or self-induction.

In Abb. 5 ist eine solche Anordnung schematisch dargestellt. 33 und 34 sind zwei an der Welle befestigte Spulen, die in Reihe geschaltet sind und deren offene Enden an der durch die Verdrehung der Welle veränderlichen Kapazität 35 angeschlossen sind. Der Spule 33 gegenüber steht die feststehende Spule 36, der ein hochfrequenter Wechselstrom zugeführt wird. Gegenüber der Spule 34 ist die feststehende Spule 37 angebracht. Die Kapazität 35 und die Spulen 33 und 34 sind derart bemessen, daß die Frequenz des der Spule 36 zugeführten Stromes inmitten der Resonanzkurve des Schwingungskreises 33, 34. 35 liegt. Änderungen der Kapazität 35 werden Abstimmungsänderungen hervorrufen, so daß die der Spule 36 zugeführte Frequenz auf einem Aste der Resonanzkurve des Schwingungskreises 33, 34, 35 wandert. Die dabei entstehenden Stromstärkeänderungen im Schwingungskreise 33, 34 35 werden durch die Spule 37 übertragen, diese wirkt auf die als Gleichrichter geschaltete Vakuumröhre 38. Im Anodenkreise dieser Röhre fließt dann ein Strom, der durch das Meßinstrument 39 gemessen wird und von der Größe der Kapazität 35 abhängt.Such an arrangement is shown schematically in Fig. 5. 33 and 34 are two coils attached to the shaft, which are connected in series and whose open ends are connected to the capacitance 35 which can be changed by the rotation of the shaft. Opposite the coil 33 is the stationary coil 36, to which a high-frequency alternating current is fed. The stationary coil 37 is attached opposite the coil 34. The capacitance 35 and the coils 33 and 34 are dimensioned in such a way that the frequency of the current supplied to the coil 36 lies in the middle of the resonance curve of the oscillating circuit 33, 34, 35. Changes in the capacitance 35 will cause tuning changes, so that the frequency supplied to the coil 36 moves on a branch of the resonance curve of the oscillating circuit 33, 34, 35. The resulting changes in current in the oscillating circuit 33, 34, 35 are transmitted through the coil 37, which acts on the vacuum tube 38, which is connected as a rectifier depends.

Da man Kapazitätsänderungen auf die angegebene Weise mit großer Genauigkeit messen kann, ist man in der Lage, die vorhandeneWelle so zu bemessen, daß sie durch keine zu erwartenden Belastungen und Stöße überbeansprucht wird-. Beim Anlassen von Maschinen braucht man also keine Rücksicht auf die Meßvorrichtung zu nehmen.Since one changes capacitance in the specified way with great accuracy can measure, one is able to measure the existing wave so that it goes through no expected loads and shocks are overstrained. When starting of machines there is no need to take the measuring device into account.

Claims

PATENT APPLICATION: i. Device for measuring torques, in particular on rotating shafts, characterized by the arrangement of one to the tuning elements capacitance or self-induction belonging to an electrical oscillatory circuit, which changes according to the rotation of one end of the shaft.

2. Device according to claim i, characterized in that the changes to the tuning elements of the oscillating circuit by changing the coordination between a high-frequency current and an oscillation circuit are converted into amplitude changes.

3. Device according to claim 2, characterized in that the changes to the tuning elements of the oscillating circuit is the beat frequency of one of two superimposed high-frequency oscillations change the resulting high frequency current.

4. Apparatus according to claim i to 3, characterized characterized in that the variable capacitance is made up of disks in the shape of a sector of a circle is assembled, which is attached to a ring surrounding the shaft are that the center of gravity of the arrangement falls in the middle of the ring.

Device according to Claim i to characterized in that the angle of the sector is approximately equal the largest expected angle of rotation with the occupancy of the capacitor connected points of the shaft is dimensioned.

6. Apparatus according to claim i to 5, characterized in that the oscillation circuit consists of one or more of the 1, # "elle centrally surrounding coils expediently of considerably larger diameter than the shaft and a variable capacity due to the rotation of the shaft.

7. Apparatus according to claim i to 6, characterized in that the oscillation circuits by a fixed spool, that of the rotating spool attached to the shaft opposed, high frequency energy is supplied. B. Apparatus according to claim i to 7, characterized in that the oscillation circuit contains two coils and the first coil is supplied with radio frequency energy, the second radio frequency energy is withdrawn.