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Elektromagnetischer Meßkopt Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen
Meßkopf. Es sind elektromagnetische Meßköpfe bekannt, hei denen ein Teil des Magnetkernes
in bezug zu dem restlichen Teil derart bewegt werden kann, daß ein Luftspalt oder
mehrere Luftspalte um einen Betrag geändert wird bzw. werden, der von der Stärke
oder Intensität einer zu messenden Größe abhängig ist. Ein Teil oder Teile des Kernes
sind von einer größeren Anzahl elektrischer Spulen umgeben, und beim Betrieb bewirkt
eine Änderung der Luftspalte das Einsetzen oder die Änderung eines elektrischen
Stromes in einer oder mehreren der benutzten elektrischen Spulen. Die Stärke des
elektrischen Stromes oder der Änderungen werden gemessen, so daß sich Meßwerte der
erwähnten Größe ergeben.
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Die bekannten Anordnungen bestehen im allgemeinen aus zwei Hauptteilen,
nämlich dem elektromagnetischen Kopf selbst, der aus dem Magnetkern und einer größeren
Anzahl elektrischer Spulen gebildet ist, und einem Gerät zur Feststellung und Messung
der auftretenden elektrischen Ströme oder Stromänderungen, die in der vorher beschriebenen
Weise entstehen. Der elektromagnetische Kopf kann mit Vorrichtungen zur Umwandlung
der zu messenden Größe in eine Bewegung des beweglichen Teils des Magnetkernes ausgerüstet
sein, oder er weist lediglich Vorrichtungen auf zur Kupplung des beweglichen Teils
des Magnetkernes an eine getrennte Vorrichtung zur Umformung der zu messenden Größe
in mechanische Bewegung.
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Elektromagnetische Anordnungen der oben beschriebenen Art können beispielsweise
zur Messung von Druck, Verschiebung oder Gewicht verwendet werden. Dabei kann bei
der Messung des Druckes die Bewegung einer elastischen Membran oder eines
Balges
so übertragen werden, daß der bewegliche Teil des Magnetkernes bewegt und eine Änderung
der Luftspalte veranlaßt wird. In gleicher Weise können bei der Messung der Temperatur
die Ausdehnung eines Teils, bei der Messung der Verschiebung die Bewegung eines
Zeigers und bei der Messung des Gewichtes Bewegungen auf Grund der Ausdehnung oder
Zusammenziehung eines elastischen Teils so übertragen werden, daß sie die Luftspalte
ändern. Es wird darauf hingewiesen, daß die Größen, die unmittelbar oder mittelbar
mit elektromagnetischen Anordnungen der beschriebenen Art gemessen werden können,
nicht auf die vier vorgenannten beschränkt sind.
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Ein Nachteil der elektromagnetischen Köpfe der bekannten Art ist der
beträchtliche äußere Streufluß des magnetischen Kreises oder der magnetischen Kreise,
der bzw. die in dem elektromagnetischen Kern ausgebildet ist bzw. sind. Die Geräte
neigen infolgedessen zu beträchtlicher Ungenauigkeit und Verminderung des Wirkungsgrades,
wenn sie in der Nähe von Metallen oder magnetischen Stoffen verwendet werden, abgesehen
von einem allgemeinen Verlust an Empfindlichkeit. Aus diesem Grund liegt ein zusätzlicher
Nachteil darin, daß es unzweckmäßig oder unmöglich ist, die bekannten Meßköpfe in
Gehäusen unterzubringen, die aus ferromagnetischen oder überhaupt aus leitendem
Material bestehen.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten elektromagnetischen
Kopf zu schaffen, bei dem der Streufluß wesentlich vermindert ist.
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Gemäß der Erfindung besteht der elektromagnetische Kopf aus wenigstens
zwei koaxialen elektrischen Spulen, die zumindest einen elektrischen Transformator
bilden, und aus einem Magnetkern, der wenigstens einen mit den Spulen verketteten
magnetischen Kreis bildet. Der :Magnetkreis oder die Magnetkreise ist bzw. sind,
abgesehen von wenigstens zwei schmalen Luftspalten, geschlossen, wobei der Abstand
wenigstens eines dieser Luftspalte durch die Bewegung eines beweglichen Teils des
Magnetkernes geändert werden kann. Dabei weist der Meßkopf eine gerade Anzahl, d.
h. mindestens vier Spulen, die koaxial angeordnet sind und zwei Transformatoren
bilden, und einen Magnetkern auf, der aus Preßstoff hergestellt ist, der aus ferromagnetischen
Teilchen besteht, die in einem nicht ferromagnetischen, elektrisch isolierenden
und bindenden Medium suspendiert sind und Magnetkreise bilden, die mit jedem Transformator
verkettet sind. Jeder Kreis ist mit Ausnahme von wenigstens zwei schmalen Spalten
geschlossen, wobei die Breite wenigstens eines Spaltes durch die Bewegung eines
beweglichen Kernes geändert werden kann. Weiterhin weist der Meßkopf Vorrichtungen
auf, um im Betrieb die Lage des beweglichen Kernteils in Abhängigkeit von dem Betrag
einer zu messenden Größe zu ändern. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die
Spule und der Magnetkern, wenn sich der bewegliche Teil in seiner Normalstellung
befindet, doppelseitige Symmetrie zu einer zur gemeinsamen Spulenachse senkrechten
Ebene haben, wobei je einer der Transformatoren auf einer Seite der Ebene liegt
und die Hälfte des Kernes auf jeder Seite der Ebene den zugehörigen Transformator
mit Ausnahme der beiden schmalen Spalte in dem mit ihm verlcetteten Magnetkreis
umschließt, von denen der eine in einer zur Ebene senkrechten Richtung und der andere
in einer zur Ebene parallelen Richtung verläuft. Der bewegliche Teil des Magnetkernes
wird von zwei gleichen Teilen gebildet, von denen, wenn er sich in seiner Normallage
befindet, einer auf jeder Seite der Ebene liegt und beide auf einer gemeinsamen
Stütze angebracht sind, welche die Bewegung nur in einer zu der Ebene senkrechten
Richtung gestattet, um den Abstand quer zu den in derselben Richtung verlaufenden
Spalten um gleiche und entgegengesetzte Beträge zu ändern.
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Bei der bevorzugten Anordnung können die Primärwicklungen des Transformators
in Reihe an eine Wechselstromquelle und die beiden Wicklungen in Reihe an ein Wechselstrommeßinstrument
geschaltet werden, so daß bei Gleichheit der beiden schmalen, zur Ebene senkrecht
liegenden Luftspalte kein Strom in dem Wechselstrommeßinstrument fließt, daß aber
die Bewegung der beiden Teile des Kernes zur Änderung der beiden schmalen Luftspalte
um gleiche und entgegengesetzte Beträge einen solchen Strom bewirkt. Die Stütze
für die beiden Teile des Kernes kann ein innerer Teil einer dünnen, biegsamen Membran
sein, deren Rand eingespannt ist und praktisch in der erwähnten Symmetrieebene liegt.
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Zwei elektromagnetische Köpfe gemäß der Erfindung, nämlich zuerst
ein elektromagnetischer Kopf, der Vorrichtungen zur Umformung der zu messenden Drücke
in Bewegung des beweglichen Teils des Magnetkernes aufweist, und zweitens ein elektromagnetischer
Kopf zur allgemeinen Anwendung, werden im folgenden als Beispiele im Zusammenhang
mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt Fig. i einen Schnitt des ersten elektromagnetischen
Kopfes, Fig. 2 einen Grundriß eines metallischen Radsternes, der einen Teil des
in Fig. i dargestellten elektromagnetischen Kopfes bildet.
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Fig. 3 ein Schaltbild, nach dem der in Fig, i veranschaulichte elektromagnetische
Kopf betriebsmäßig geschaltet werden kann, und Fig. q. einen Schnitt des zweiten
elektromagnetischen Kopfes.
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Falls keine andere Festsetzung getroffen wird, haben alle in der Fig.
i dargestellten Teile kreisförmige Symmetrie zu der Achse A-A. Eine Beryllium-Kupfer-Membran
i ist an ihrem Außenrand zwischen zwei Metallteilen a und 3 eingespannt, die zusammen
eine gasdichte Kammer bilden. Die Teile a und 3 sind durch Schrauben .1 aneinander
befestigt. Der Innenrand der Membran i ist zwischen zwei '.Metallscheiben 5 eingespannt.
Die Scheiben 5 und die ?Membran i teilen die gasdichte Kammer in zwei Abteilungen
6 und 7. Die Abtei-
Jung 6 ist evakuiert, und die Abteilung 7 ist
durch ein Rohr 8, das in den Metallteil 3 geschraubt ist, mit dem Raum verbunden,
in dem der Druck gemessen werden soll. Die Scheiben 5 sind an einem Ende eines Duraluminstabes
9 angebracht und in ihrer Lage durch eine Mutter io festgelegt, die auf ein mit
Gewinde versehenes Ende des Stabes 9 aufgeschraubt ist. Ein Ende eines ausdehnbaren,
gasdichten Balges i i ist mit einer Dichtung 12 gegen den Stab 9 abgedichtet, während
das andere Ende an einem Metallteil 13 befestigt ist, das in den Metallteil 2 eingeschraubt
ist. Der Balg i i ist vorgesehen, um eine Längsbewegung des Stabes 9 zu ermöglichen,
während die Abteilung 6 der gasdichten Kammer abgedichtet erhalten wird. Die Metallteile
2 und 3 sind in dem Hauptgehäuse 14 des elektromagnetischen Kopfes durch den Teil
15 festgelegt, der in ein Ende des Gehäuses 14 eingeschraubt ist.
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Zwei gleiche Teile 18 und i9 eines Magnetkernes sind in dem Gehäuse
14 durch Einschraubung des Mittelteils 2o in das Ende des Hauptgehäuses i4 festgespannt.
Der Magnetkern ist aus einem Preßstoff hergestellt, der aus ferromagnetischen Teilchen
besteht, die in einem nicht ferromagnetischen, elektrisch isolierenden und bindenden
Medium suspendiert sind. Eine Kappe 21 ist auf den Teil 2o geschraubt und kann entfernt
werden, wenn Zugang zu dem Nulleinstellungsmechanismus des Kopfes, wie später beschrieben,
während des Betriebes des Instrumentes erforderlich ist. Die beiden Teile 18 und
i9 des Magnetkernes sind voneinander durch einen dünnen Radstern 22 aus Phosphorbronze
getrennt. Ein Grundriß des Radsternes 22 in der Richtung der Achse A-A ist in Fig.
2 der Zeichnungen dargestellt.
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Gemäß Fig. 2 besteht der Radstern 22 aus zwei konzentrischen Ringen
23 und 24, die durch drei gekrümmte Speichen 25 miteinander verbunden sind. Der
Außenring 23 hat die gleiche Form wie die Oberfläche der Teile 18 und i9 des Kernes,
zwischen denen er festgeklemmt ist. Der Innenring 24 hat die gleiche Form wie die
Oberflächen der beweglichen Teile 26 und 27 des Magnetkernes, zwischen denen er
eingespannt ist, wie weiter unten beschrieben wird. Die beweglichen Teile 26 und
27 sind von den festen Teilen 18 und i9 des Magnetkernes durch schmale Luftspalte
30, 31 und 32 getrennt. Der Radstern 22 dient dazu, die Bewegung der Teile 26 und
27 parallel zur Achse A-A zu
erlauben und infolgedessen die Luftspalte
30 und 31 zu ändern. Er verhindert aber jede seitliche Bewegung der Teile
26 und 27, welche den Luftspalt 32 ändern würde.
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Die Teile 26 und 27 sind auf dem Stab 9 in folgender Weise angebracht.
Das der gasdichten Kammer abgewandte Ende des Stabes 9 ist mit einem darauf geschnittenen
Schraubengewinde versehen, auf das eine Metallkappe 33 aufgeschraubt werden kann.
Eine passende Metallhülse 34 sitzt auf dem Stab 9 und stützt sich gegen eine kurze
Schraubenfeder 35 ab, die gegen den Bund 36 des Stabes 9 zusammengepreßt wird. Durch
die Einschraubtiefe der Kappe 33 längs des Gewindes des Stabes 9 kann die Zusammenpressung
der Feder 35 und somit die Lage der Hülse 34 auf dem Stab 9 geändert werden. Die
beweglichen Teile 26 und 27 des N:Iagnetkernes sind in der Hülse 34 zwischen einem
festen Flansch 37 auf der Hülse 34 und einem beweglichen Flansch 38 eingespannt,
der auf einem Schraubengewinde auf der Außenfläche der Hülse 34 läuft.
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Zwei zylindrische Spulenwicklungskörper 40, von denen ein jeder in
drei Fächer unterteilt ist, sind zugeordnet in zwei ringförmigen, innerhalb des
Magnetkernes ausgebildeten Wicklungsräumen 41 untergebracht. Das mittlere Fach jedes
Wicklungskörpers 4o ist mit einer Sekundärspule 42 und die beiden äußeren Fächer
jedes Wicklungskörpers 40 sind mit gleichen Teilen einer Primärspule 43 bewickelt,
die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die jeweils auf einen Wicklungskörper
4o aufgewickelten Spulen 42 und 43 sind gleich.
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Ein einfaches Schaltbild, nach dem der elektromagnetische Kopf betriebsmäßig
geschaltet werden kann, ist in Fig.3 der Zeichnung dargestellt, auf die nun im folgenden
hingewiesen werden soll. Die beiden Primärspulen 43 sind in Reihe an die Sekundärwicklung
eines Abwärtstransformators 45 angeschlossen, dessen Primärwicklung an eine Netzspannungsquelle
46 mit 230 Volt und 50 Hz angeschaltet ist. Die beiden Sekundärspulen
42 sind miteinander und mit einem Wechselstrommilliamperemeter 47 in Reihe geschaltet,
derart, daß die Ströme, die in den beiden Sekundärspulen 42 durch den gemeinsamen
Strom in den Primärspulen 43 induziert werden, mit entgegengesetzter Phase in dem
Milliamperemeter 47 fließen.
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Am Beginn einer Ablesung werden die Abteilung 7 der gasdichten Kammer
sowie die Abteilung 6 evakuiert und die Lage der Kappe 33 eingestellt, bis kein
Strom in dem Milliamperemeter 47 fließt. Dieser tritt innerhalb der Genauigkeitsgrenzen
der Herstellung des elektromagnetischen Kopfes in der Stellung auf, bei der die
Luftspalte 31 und 30 gleich sind. Falls jetzt der Druck in der Abteilung
7 der gasdichten Kammer vergrößert wird, wird die Membran i nach der Abteilung 6
der Kammer zu hineingedrückt, und die Bewegung der Membran i wird durch den Stab
9 auf die Teile 26 und 27 des darauf angebrachten Magnetkernes. übertragen, wobei
der Luftspalt 30 verkleinert und der Luftspalt 31 vergrößert wird. Diese
Änderung der Luftspalte 30 und 31 bewirkt eine Unsymmetrie der vorher gleichen
und entgegengesetzten Ströme, die in den Sekundärspulen 42 induziert wurden, und
infolgedessen das Auftreten eines Stromes in dem Milliamperemeter 47, dessen Skala
auf direkte Ablesung des Druckes geeicht sein kann. Es wird darauf hingewiesen,
daß die Einstellung der Kappe 33 als Nulleinstellung für den elektromagnetischen
Kopf dient, wobei ein Zugang zu diesem durch das Abschrauben der Kappe 21 von dem
Hauptgehäuse 14 geschaffen wird.
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In Fig.4 ist eine andere Ausführungsform des elektromagnetischen Kopfes
dargestellt, der so angeordnet
ist, daß er leicht an verschiedene
Anwendungsarten angepaßt werden kann. Die Hauptmerkmale des Kopfes entsprechen denen
des in Fig. i veranschaulichten Kopfes und werden hier nicht erneut beschrieben.
Die verschiedenen Teile der Fig..t sind mit denselben, in Fig. i benutzten Bezugszeichen
bezeichnet. Die Hauptunterschiede zwischen dem in der Fig.4 dargestellten Kopf und
dem in Fig. i gezeigten sind folgende. Zunächst ist die Welle 9 nicht mehr mit der
Membran i gekuppelt, sondern hat einen verstärkten Teil 49, in dem sich eine mit
Gewinde versehene Bohrung 50 befindet, die zur Ankupplung der Welle 9 an einen beweglichen
Teil verwendet werden kann, der abhängig von der Stärke der zu messenden Größe bewegt
wird.
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Zweitens weist die auf der Welle 9 befindliche Hülse 34. einen besonderen
Flansch 5 i sowie an demselben Ende ein Schraubengewinde 52 auf, auf den ein anderer
Metallflansch 53 geschraubt werden kann. Die Welle 9 ist in einem zweiten Radstern
54 aus Phosphorbronze gelagert, der dieselbe Form wie der Radstern 22 hat. Der Innenring
des Radsternes 54. ist zwischen den Flanschen 51 und 53 und der Außenring des Radsternes
5.1 zwischen zwei Metallscheiben 55 eingespannt, die zusammen mit den einzelnen
Teilen des Magnetkernes in dem Hauptgehäuse 14. festgeklemmt sind.
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Ein drittes Unterschiedsmerkmal gegen den in Fig. i dargestellten
Kopf ist das Vorhandensein einer Widerstandsspule 56, deren Wicklungskörper 57 auch
innerhalb des Hauptgehäuses 14. zusammen mit dem Magnetkern festgespannt ist, wobei
die Spule zur Schaffung einer Temperaturkompensation dient. Die Spule 56 ist in
Reihe mit den Primärwicklungen 4.3 geschaltet, und ihre Größe ist so gewählt, daß
jeder Anstieg der Empfindlichkeit, wenn sich die Temperatur des Kopfes und der Widerstand
der Sekundärwicklungen erhöhen, autoinatisch durch eine Vergrößerung des Widerstandes
in dem Primärkreis ausgeglichen wird, der die Empfindlichkeit der Anordnung vermindert.
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Schließlich besteht ein weiterer Unterschied darin, daß ein metallischer
Begrenzungsanschlag 58 vorgesehen ist. der auf eine mit Gewinde versehene Welle
59 in dem Stirnteil 2o aufgeschraubt wird. Im Betrieb wird der Anschlag 58 so eingestellt,
daß eine übermäßige Bewegung der Welle 9 verhindert wird. Er kann dazu benutzt werden,
um ein automatisches Ansprechen durch Schließung eines elektrischen Kreises zwischen
der Welle 9 und dem Metallstirnteil 2o zu erzielen.
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Ein Vorteil der elektromagnetischen Köpfe geinäß der Erfindung besteht
darin, daß die Magnetkerne praktisch geschlossene magnetische Kreise bilden, bei
denen sehr wenig oder gar kein Streufluß vorhanden ist. In den bereits bekannten
Köpfen, die Metallkerne an Stelle von Isolierpulverpreßkernen verwenden, muß der
Kern entweder lamelliert sein, «-as zu entsprechenden Verlusten führt, oder er kann
nicht so konstruiert werden, daß er die Spulen vollständig umschließt, da in diesem
Fall eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung entstehen würde, die mit den Primärwicklungen
gekoppelt ist.
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Ein geeignetes Material, aber keineswegs das einzige, aus dem der
Kern aufgebaut werden kann, besteht aus Eisenpulver von hoher Reinheit, das durch
Wasserstoffreduktion oder elektrolytische Verfahren hergestellt und in Siebvorgängen
usw. behandelt ist, um ein Pulver von guter Abdichtungsfähigkeit und gleichförmiger
Teilchengröße zu ergeben. Das Pulver wird dann mit einem geeigneten Kunststoff gemischt
und unter Drücken zwischen 3 und 15 t/cm2 in die erforderlichen Forinen gepreßt.