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Gerät zur elektrischen Frequenz- und Drehzahlmessung
Die Erfindung
betrifft ein Meßgerät zur Messung der Frequenz von Gleichstromimpulsen und in Verbindung
damit von Umdrehungszahlen und weiter von Fahrzeuggeschwindigkeiten, dabei zusätzlich
unter Zählung der Impulse.
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Die praktische Hauptbedeutung der Erfindung liegt auf dem Tachometergebiet,
wenn man, wie es bei Fahrzeugen naheliegt, eine sich drehende Achse mit einem Laufrad
bekannten Umfangs in ihrer Drehzahl mißt, so daß sich aus Drehzahl mal Umfang die
Geschwindigkeit ergibt. Weiter kommt die Luftfahrt als Anwendungsgebiet in Frage,
wobei man mit dem Gerät gemäß der Erfindung die Drehzahl der Motoren mißt, und in
ähnlicher Weise, wie oben beschrieben, die zu messende Welle mit einem Kontakt versieht.
Schließlich läßt sich ein Gerät gemäß der Erfindung als Anzeigegerät für das bekannte
Impulsfrequenzverfahren für die Fernmeldetechnik bzw. Fernmessung verwenden.
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Im Kraftfahrzeugwesen sind zur Zeit fast ausschließlich mechanische
Tachometer nach dem Wirbelstromprinzip in Verwendung, die zwar den Vorzug großer
Robustheit und Einfachheit, jedoch den Nachteil der biegsamen Welle aufweisen, welche
zusätzlichen und hinderlichen Raumbedarf (bei Heckmotoren besonders langer Weg zum
Motor bzw. Abnahme an den hin und her eingeschlagenen Vorderrädern erforderlich),
einen besonderen Abtrieb mit Zahnrad auf der zu messenden Welle, ferner Wartung
und Schmierung erfordert und meistens noch unangenehmes Geräusch verursacht.
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Andererseits sind elektrische Drehzahlmesser für Flugzeuge bekannt,
welche mit einem Generator auf der zu messenden Welle arbeiten (Raumbedarf,
hohe
Kosten). Diese benötigen außerdem ziemlich komplizierte Anzeigegeräte, z. B. Drehspul-,
lnduktions- oder Ferrarisdrehfeldgeräte, welche nicht immer 3600 Ausschlag erreichen
und auch nicht immer Gewähr für proportionale Anzeige bieten. Ferner sind diese
Apparaturen recht teuer und benötigen unverhältnismäßig viel Platz. Deshalb konnten
sich diese bekannten elektrischen Drehzahlmesser im Kraftfahrwesen noch gar nicht
und in der Luftfahrt nur teilweise einführen.
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Die Erfindung verbindet nun die Vorteile des mechanisch angetriebenen
Wirbelstromtachometers mit jenen der elektrischen Übertragung, indem Gleichstromimpulse,
die vorteilhaft durch einen von der zu messenden Welle betätigten, unter einer Gleichspannung
stehenden Kontakt erzeugt werden, im Ausschaltmoment, d. h. bei Kontaktöffnung durch
freie gedämpfte Schwingungen in Magnetwicklungen dem AiVirbelstromanker Drehimpulse
versetzen. Dieser Wirbelstromanker kann wie bei den mechanischen Wirbelstromtachometern
eine Aluminiumscheibe oder ein Aluminiumzylinder sein. Es wird also durch dieses
feststehende magnetische Schwingungssystem der Drehmagnet der mechanischen Wirbelstromtachometer
ersetzt. Gibt man dem Aluminiumzylinder wie bei den bekannten Wirbelstromtachometern
eine Rückholfeder, so muß dann der Ausschlag des Zylinders genau proportional der
Zahl der Kontaktunterbrechungen in der Sekunde, d. h. der Drehzahl oder der Geschwindigkeit
sein. Prinzipiell könnte für diesen Zweck einer der bekannten Wechselstrominduktionszähler
benutzt werden. Es ist an sich bekannt, Elektrizitätszähler zur Messung von Stromstößen
zu verwenden (C. Keinath, Arch. f. techn. Messen, V, 327-3). Keinath will jedoch
dabei das Integral der Stromstärke messen, ohne Rücksicht auf die Frequenz, während
es hier gerade auf die Messung der Frequenz bei möglichst konstant gehaltenem Stromstoß
ankommt.
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Die Drehzahlmessung mit einem Induktionszähler kann nur als Notbehelf
angesehen werden, da ein solcher Zähler für andere Zwecke dimensioniert ist; für
das Meßgerät nach der Erfindung wurde deshalb ein besonderes Magnetsystem entwickelt,
das in den Abb. I und 2 dargestellt ist und das prinzipiell dem der selbstanlaufenden
Synchronuhren ähnelt. Abb. I zeigt in Anwendung auf Drehzahlmessungen den grundsätzlichen
Aufbau der Anordnung, während das Magnetsystem in Abb. 2 und die genaue Schaltung
in Abb. 3 dargestellt ist und weiter unten beschrieben wird.
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Von dem Wellenkontakt a, der durch einen Exzenter der zu messenden
Welle betätigt wird, führt eine eindrähtige Leitung zum elektrischen Tachometer
und von da über die Batterie und über Masse zurück zum Kontakt a. Das bewegliche
Meßsystem des Tachometers ist wie dasjenige der mechanischen Wirbelstromtachometer
aufgebaut: ein Aluminiumzylinder c ist drehbar auf einer Achse e, die oben einen
Zeiger f trägt, der über der Tachometerskala g spielt. Wichtig ist noch die Spiralfeder
h, die den Zeiger in die Nullstellung zurückzuführen sucht. Das Magnetsystem ist
aus zwei geblätterten Eisenringen i und j aufgebaut und trägt die Hauptspulen k
und Nebenspulen n, welch letztere die notwendige Phasenverschiebung aufweisen. Die
Nebenspulen n können in bekannter Weise als Kurzschluß wicklung ausgebildet sein,
dürfen dann allerdings nicht symmetrisch wie in der Zeichnung sitzen, sondern müssen
mehr nach der einen Seite hin verschoben sein. Wie weiter unten beschrieben, wird
in dem erfindungsgemäßen Gerät ein um ziemlich genau go0 phasenverschobener Strom
extra für die Nebenspulen hergestellt.
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Für den Aufbau des Magnetsystems gibt es zahlreiche Möglichkeiten,
von denen einige in den Abb. 2, 2' und 2" dargestellt sind.
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Die Anordnung der Abb. I ist in Abb. 2 in Draufsicht dargestellt.
Die Spulen sitzen sämtlich auf dem äußeren Ring j. In Abb. 2' sind die Eaupt- k
und Nebenspulen n auf den inneren Ring i gewickelt, und zwar gleich durchgewiclçelt,
so daß nur noch je eine Haupt->k und eine Nebenspule n übrigbleibt. Der Verlauf
der magnetischen Flüsse ist durch die gewundenen Pfeile, die Stromrichtung in den
Wicklungen durch Kreuze bzw.
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Pfeilspitzen angedeutet. Es können auch gleichzeitig beide Ringe,
also sowohl der äußere Ring j als auch der innere Ring i, bewickelt werden, so daß
man je zwei Wicklungen erhält, durch deren Hintereinander- oder Parallelschaltung
eine umschaltbare Ausführung für 6 und 12 Volt oder auch 24 Volt Batteriespannung
entsteht. In Abb. 2" ist eine vierpolige Ausführung gezeigt, die einem Wechselstromeinphasenmotor
mit Hilfswicklung n ähnelt, und die den Vorteil hat, daß die Spulen auf Schablonen
gewickelt und dann in die Nuten »eingeträufelt« werden können. Auch bei Abb. 2"
können natürlich beide Ringe j und i mit Wicklungen versehen werden. Soweit die
Aussparung des inneren Ringes i von Wicklungen frei bleibt, kann sie dem Kondensator
C1 oder Cr Platz bieten.
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Ein sehr wichtiger Punkt ist der Stromverlauf im Augenblick der Unterbrechung.
Zur Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird nach Zuschalten eines Kondensators
Cl (Abb. 3) bei Stromunterbrechung eine elektrische Schwingung angestoßen, deren
Grundfrequenz sich aus der Selbstinduktion Li der Hauptspule k und der Kapazität
C1 ergibt. Als besonders geeignet wird der Frequenzbereich zwischen IOO und 300
Hz und für höhere Tourenzahlen bis IOOO Hz empfohlen.
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Bei jeder Kontaktöffnung entsteht nun eine gedämpfte Schwingung,
wie in Abb. dargestellt; die Dämpfung ist dabei hauptsächlich durch die Wirbelströme
im Aluminiumzylinder c, in zweiter Linie durch die Verluste in Spule und Kondensator
verursacht. Um das Drehmoment bei nicht zu großen Stromstärken auf ein Maximum zu
bringen, sollte der Hauptanteil der Dämpfung im Aluminiumzylinder liegen, d. h.
man muß versuchen, die Verluste von Spule und Kondensator möglichst niedrig zu halten.
Aus diesem Grunde wird in Ausbildung des Erfindungsgedankens die Nebenwicklung n
nicht im Kurzschluß geschaltet, sondern ent-
sprechend Abb. 3 mit
einem zweiten Kondensator C2 zu einem Parallelresonanzkreis zusammen geschaltet,
die auf dieselbe Frequenz wie k und C abgestimmt ist. Wie das Vektordiagramm Abb.
5 zeigt, wird auf diese Weise mit erheblich kleineren Dämpfungen eine Phasendrehung
um beinahe go0 erreicht, als es bei der üblichen Kurzschluß windung möglich ist.
U2 bedeutet dabei die Spannung an der Spule 42, die sich vektoriell zusammensetzt
aus der rein induktiven Spannung UL2 und der rein Ohmschen Wirkspannung UR2, welch
letztere aus Eisen-und Wicklungsverlusten sowie aus der Rückwirkung des Zylinder
c entsteht. I,, der Strom der Spule n, steht also senkrecht auf dem Vektor UL2 und
setzt sich mit dem Strom JC2 des Kondensators C2 zusammen zu Ik, der also nahezu
senkrecht auf In steht. Durch entsprechende Dimensionierung kann eine Phasenverschiebung
von genau 90° erreicht werden.
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Zu beachten ist ferner noch, daß, wie in Abb. 4 dargestellt, die
Schwingungszüge bei der Kontaktöffnung so weit auseinander liegen müssen, daß der
Zeitabschnitt X immer noch endlich groß bleibt.
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Andernfalls würden die letzten Schwingungen durch die Wiedereinschaltung
des Gleichstroms abgeschnitten und der mechanische Impuls verringert werden. Für
eine proportionale Anzeige ist also wichtig, daß bei der höchsten vorkommenden Frequenz
die Öffnungsperiode zl auf alle Fälle noch etwas länger ist als die Abklingdauer
der gedämpften Schwingungen zz.
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Energiemäßig gesehen, arbeitet das Tachometer gemäß der Erfindung
so, daß die in dem Magnetsystem aufgespeicherte Energie bei der Stromstärke J1 im
Augenblick des Kontaktöffnens zur Drehmomenterzeugung benutzt wird. Diese magnetische
Energie 1/2 L Jg2 (wenn L die gesamte Selbstinduktion und Jg die Gleichstromstärke
bedeuten) muß um mehr als eine Größenordnung höher sein als die Kondensatorenergie
1/2 C1 Zug2, 2 damit beim Ausschalten die gewünschte, weiter unten beschriebene
Spannungsüberhöhung entsteht. Es ist also Wert auf möglichst großes L zu legen.
Sollte das erreichte Drehmoment noch nicht groß genug sein, so braucht nur statt
einer Kontaktunterbrechung je Umdrehung ein Vielfaches davon eingerichtet zu werden;
hierfür kann der Exzenter bei a anstatt eines, mehrere Nocken besitzen, oder es
kann auf der Welle eine Isolierscheibe mit mehreren Kontaktflächen angebracht werden,
über die eine Abnahmebürste schleift. Auf diese Weise kann die je Umdrehung auf
das bewegliche System gegebene Energie und damit das Gesamtdrehmoment ohne Schwierigkeiten
z. B. verzehnfacht werden.
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Für ganz billige Ausführungen oder Versuche kann der Wellenkontakt
a so vereinfacht werden, daß auf der zu messenden Welle nur ein Streifen aus biegsamem
Isoliermaterial aufgeklebt oder aus sehr widerstandsfähigem Isolierlack aufgestrichen
wird. Darauf schleift nun eine isolierte Schleifbürste oder Feder, welche direkt
mit der Leitung zum Tachometer verbunden wird. Auf diese Weise können in einer komplizierteren
Maschine (Getriebe) die Drehzahlen beliebig vieler Wellen nacheinander gemessen
oder beobachtet werden. Mit einem so einfachen Kontakt, für dessen Anbringung die
Welle nicht ausgebaut werden muß, dürfte der Einbau des elektrischen Tachometers
einschließlich seines Preises billiger werden als der eines mechanischen Wirbelstromtachometers,
da der Ausbau der Welle, Montage eines Abtriebs für die biegsame Welle, so wie deren
Einführung mit Kugellager in das mechanische Tachometer erhebliche Kosten verursacht.
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Was die Funkenlöschung betrifft, so übernimmt diese in bekannter
Weise der Kondensator C1. Sehr wichtig ist außerdem ein scharfes Abreißen des Kontaktes,
damit der gleichmäßige Anstieg der ersten Schwingung gewährleistet wird. Versuche
haben gezeigt, daß z. B. bei 6 Volt Batteriespannung schon von 3 A aufwärts ein
scharfes Abreißen nicht mehr gewährleistet ist, vielmehr ein Lichtbogen entsteht,
der die Ausbildung von gleichmäßigen Schwingungen stört. Auch die Abänderung der
Kontaktformen und Kontaktmetalle brachte kein prinzipiell anderes Bild. Aus diesen
Gründen empfiehlt es sich, mit der Stromstärke unter etwa 1 A zu bleiben, was außerdem
mit Rücksicht auf den Stromverbrauch mit praktischen Vorteilen verknüpft ist.
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Die Schwankung der Spannung der Wagenbatterie beträgt im normalen
Betrieb 1 250/o.
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Diese Spannungsschwankungen würden in das Meßergebnis eingehen und
müssen deshalb kompensiert werden. Die einfachste Methode ist die der Übersättigung
der Magnetringe i und j. Auf diese Weise wird der Fehler auf rund 1/5, d. h. 1 50/0
herabgedrückt. Eine viel elegantere und erfolgreichere Methode zur Spannungsstabilisierung
ergibt sich jedoch aus der Tatsache, daß beim Abschalten von 5 elbstinduktionen
erhebliche Überspannungen entstehen, vor allem, wenn die Abschaltung plötzlich,
d. h. ohne Lichtbogen erfolgt, ferner unter obenerwähnten Voraussetzungen, daß die
Selbstinduktion groß gegenüber dem Kondensator ist.
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Wie Versuche gezeigt haben, können durch Abschalten von Selbstinduktionen
in der Größenordnung einiger Hy mit Stromstärken unter 1 A bei 6 Volt Batteriespannung
Überhöhungen von 1 : 25 und mehr erreicht werden; in Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
wird nun (Abb. 3) eine Glimmlampe parallel zum Kondensator Cl geschaltet, die beim
Öffnen des Kontaktes a durch die erzeugte Überspannung aufleuchtet; während die
Zündspannung von Glimmlampen nicht ganz konstant bleibt, ist die Löschspannung auf
weniger als IO/o fest.
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Wie in Abb. 4 dargestellt, erreicht der Spannungsverlauf bei Kontaktöffnung
erst eine ziemliche Höhe, z. B. 100 Volt, bis die Glimmlampe gezündet hat. Von diesem
Augenblick an wird der Kondensator Cl so weit entladen, bis die Löschspannung der
Glimmlampe erreicht ist (z. B. 80 Volt) und die Leuchterscheinung aussetzt (Pfeil
in Abb. 4). Die nun beginnende gedämpfte Schwingung fängt also jedesmal genau mit
demselben Anfangswert an und muß deshalb bei jeder Kontaktöffnung genau den-
selben
Drehimpuls auf das Meßsystem ergeben, auch wenn sich die Batteriespannung um 30
O/o oder noch mehr ändert.
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Vorteilhaft wird die Glimmlampe gleich zur Beleuchtung der Tachometerskala
ausgenutzt, wobei sie eine Anzeige für das Vorhandensein der Batteriespannung und
das Funktionieren des Tachometers während der Fahrt darstellt und eine nicht zu
unterschätzende Propagandawirkung ausübt.
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Die bei den meisten Meßinstrumenten notwendige Dämpfung des beweglichen
Systems wird hier durch das schon oben beschriebene Magnetsystem i und j mit übernommen.
Allerdings wird diese Dämpfung nur während der Einschaltperiode wirksam und auch
etwas von der Batteriespannung abhängig. Es ist deshalb zu empfehlen, einen (nicht
gezeichneten) Permanentmagneten zusätzlich anzubringen, der für ausreichende Dämpfung
sorgt. Legt man diesen Permanentmagneten in der Richtung an, daß sein magnetischer
Fluß dem des Batteriestromes entgegengesetzt ist, so ergibt sich eine einfache Kompensationsmöglichkeit
für die obenerwähnte Spannungsabhängigkeit der Dämpfung; je länger die Einschaltperioden
für den Batteriestrom sind, desto schwächer ist die Gesamtdämpfung; ferner, je höher
die Batteriespannung, desto geringer die Dämpfung während der Einschaltperiode.
In der Ausschaltperiode ist die Dämpfung allein durch den Permanentmagneten gegeben,
also konstant.
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Eine Temperaturkorrektion ist an diesem Gerät in bekannter Weise
möglich, z. B. durch Bi-Metalle, temperaturabhängige Widerstände, magnetische Nebenflüsse
usw. Die Temperaturabhängigkeit ist geringer als bei dem üblichen mechanischenWirbelstromtachometer,
da bei höherem Widerstand des wärmeren Aluminiumzylinders (als Sekundärkreis eines
Transformators zu betrachten) die Gesamtdämpfung kleiner wird und damit die Dauer
der abklingenden Schwingungen etwas länger (d. h. die Zahl der gedämpften Schwingungsperioden).
Die Verminderung des Drehmoments infolge Rückgangs der Stromstärke wird also durch
die längere Dauer der Impulse zum Teil wieder ausgeglichen.
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Dieses Tachometer kann auch als Anzeigegerät in der Fernmeßtechnik
für das bekannte Impulsfrequenzverfahren benutzt werden und ist dann den bisher
benutzten Verfahren durch Umladung von Kondensatoren od. ä. infolge seiner Robustheit,
Billigkeit, seines viel höheren Drehmoments, ferner des 3600 Zeigerausschlags, weit
überlegen.
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Für Kraftfahrzeuge sehr wichtig ist die gleichzeitige Zählung der
Impulse in einem Zählwerk.
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Elektromagnetische Zähler bis 20 oder 30 Hz und in Sonderausführung
auch darüber sind bekannt.
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Durch Anschalten eines solchen Zählwerkes werden jedoch die Schwingungswerte
des Schwingungskreises verändert. Aus diesem Grunde, ferner zum Zwecke der Vereinfachung
des Geräts wird nach Weiterbildung des Erfindungsgedankens der eingebaute Zähler
durch denselben magnetischen Kreis bzw. einen Teil desselben betrieben. Zwei Beispiele
hierfür sind in Abb. 6 und 7 dargestellt, g und g' sind Polschuhe, die dem magnetischen
Streufluß um die Spule k herum den Weg erleichtern bis auf ein kurzes Stück, das
durch den Anker o bzw. o' überbrückt wird, so daß an o im angezogenen Zustand die
größte magnetische Durchflutung und dementsprechende Kräfte auftreten. Zur Verminderung
der Trägheit sind die beweglichen Teile so klein als möglich ausgeführt. Im Fall
der Abb. 6 ist o einem der bekannten Relais anker ähnlich, der über eine Nase des
linken Polschuhs u wippbar angeordnet ist. Auf der anderen Seite von o ist ein Stoßhebel
q aufgesetzt, der durch die Feder s angedrückt wird. Mit Hilfe der Rastzunge t stößt
q das gezahnte Rädchen r jeweils einen Zahn weiter. r treibt in bekannter Weise
ein Zählwerk.
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In Abb. 7 sind die beweglichen Massen noch kleiner; die Polschuhe
it' sind als abgebogene Blechwinkel ausgebildet, der Anker o' ist direkt auf die
Blattfeder 0 genietet, deren äußeres Ende in das (z. B. elastisch gelagerte) Zahnrad
r einrastet. Diese Ausführung kann auch ohne weiteres in Verbindung mit der Wicklung
(dann muß die Wicklung außen auf j sein) nach Abb. 2" verwendet werden; in diesem
Fall wird ein Strang der Hauptwicklung k so unter den Zungen der Polschuhe it' hindurchgelegt,
daß sich über o' ein geschlossener magnetischer Kreis bildet.
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Der bewegliche Anker o, o' bildet mit der Rückholfeder v, s zusammen
ein mechanisches Schwingungssystem. Um eine gegenseitige Aufschaukelung zu vermeiden,
muß die Grundfrequenz des elektrischen Schwingungssystems aus Cl und k eine andere
sein als die jenes mechanischen Systems.
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Vorteilhaft liegt die elektrische Grundfrequenz um eine oder mehrere
Größenordnungen höher.