DE963279C - Einrichtung zur selbsttaetigen Anzeige von Kraeften und zur Aufnahme von Kraftwegdiagrammen von Schalteinrichtungen und Federanordnungen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 2. MAI 1957

St ρ 501IX142 k

und Federanordnungen

Die Messung von, Zugkräften, beispielsweise von elektromagnetischen Systemen, als Funktion eines Weges wird meist in Ermangelung besonderer Einrichtungen punktweise durchgeführt und ist daher sehr zeitraubend. Dabei ist außerdem nachteilig, daß während der langen Dauer der Messung, insbesondere bei hohen Erregungen infolge Erwärmung der Spule, die Messung noch erschwert wird.

Es sind Meßeinrichtungen bekannt, bei denen die Kräfte durch geeignete Mittel, z. B. Piezokristalle, als entsprechende elektrische Werte dargestellt und in Verbindung mit einer geeigneten. Übertragung des Weges in einem Koordinatensystem kontinuierlich innerhalb kurzer Zeit aufgezeichnet werden können. Diese Einrichtungen sind, jedoch sehr umfangreich und kostspielig.

Es sind weiterhin. Meß- und Regeleinrichtungen bekannt, bei denen eine äußere Kraft auf einen, einem magnetischen Kreis angehörenden Kontakt einwirkt. In der einen von zwei Endlagen dieses Kontaktes wird periodisch ein elektrischer Stromkreis geschlossen:, der die Gittervorspannung einer Röhre steuert und damit auch, den in dem Anodenkreis der Röhre angeordneten Magnetkreis, der die Gegenkraft zur äußeren Kraft erzeugt. Dabei treten Kippschwingungen annähernd rechteckiger Form auf. Die durch die Kontaktanordnung gesteuerten Kippschwingungen weisen jedoch große Strom-

Schwankungen auf, so daß dadurch die Kontaktanordnung einer großen Beanspruchung durch starke Kraftschwankungen unterworfen ist. Insbesondere im Zeitraum der Kontaktschließung kann die auftretende große äußere Kraft nicht gemessen werden, Da durch die großen Kraftschwankungen die Anordnung verhältnismäßig träge arbeitet, ergeben sich nur grobe Meßergebnisse. Es kann somit kein feinstufiger Gleichgewichtszustand zwisehen äußerer Kraft und der Gegenkraft erreicht werden. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß das anzeigende Instrument infolge der großen Stromschwankungen stark gedämpft werden muß. Es wird sich somit nur- träge auf die auftretenden Ströme einstellen. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur selbsttätigen. Anzeige von Kräften und zur Aufnahme von Kraftwegdiagrammen von Schalteinrichtungen und Federanordnungen, die in ihrem Aufbau und ihrer Funktion einfach, ist und es gestattet, annähernd kontinuierliche Messungen bzw. mit einem Schreibsystem Aufzeichnungen durchzuführen, ohne daß an der Kontakteinrichtung große Spannungsdifferenzen, auftreten·. Sie vermeidet die Nachteile der bekannten Anordnung dadurch, daß der elektromagnetische Kreis eine Einrichtung mit einer elektrischen Zeitkonstante enthält, durch die der Strom zur Erzeugung der Gegenkräfte im Rhythmus der periodischen· Kontaktunterbrechung der Kontaktanordnung um einen Mittelwert nur geringfügig schwankt. Die mit einer elektrischen Zeitkonstante behaftete Einrichtung ist dabei zweckmäßig als Kondensator ausgebildet. Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung steuern die zu messenden Kräfte die Kontaktanordnung über ein doppelarmiges System, an dessen, längerem Hebelarm die Kontaktanordnung und die als permanentdynamisches System ausgebildete Schalteinrichtung mit ihrer Schwingspule befestigt ist. Die durch die Schwingspule erzeugten Gegenkräfte werden gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung in Abhängigkeit von der Kontaktanordnung durch wechselweises Laden und Entladen der Kapazität beeinflußt, die schaltungsmäßig parallel zur Schwingspule und dem mit dieser inReihe liegenden Meßinstrument angeordnet ist. Dadurch bleibt der durch die Schwingspule fließende Strom für jede zu messende Kraft annähernd konstant. Durch eine weitere Ausbildung der Erfindung werden die Gegenkräfte durch die Schwingspule in der Weise beeinflußt, daß die Ladungshöhe der Kapazität auf den Gitterkreis einer Elektronenröhre einwirkt, in dessen Anoden- oder Kathodenkreis die Schwingspule angeordnet ist. Dazu wird, die Kapazität auf eine solche Ladespannung gebracht, daß der Anodenstrom (bei unbelastetem System) praktisch Null ist und entsprechend der durch die Kontaktanordnung (bei Belastung) bewirkten Entladungen der Kapazität ansteigt, bis in der Schwingspule die zur "Betätigung der Kontaktanordnung erforderliche Gegenkraft erzeugt ist. Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung ist die Pendelbewegung der Kontaktanordnung beeinflußbar, so daß ein gewünschter Frequenzgang des Hebelsystems erreicht werden kann. Die Einrichtung ist für eine Fernübertragung des Meßwertes geeignet, so* daß ihre Anwendung auch unter diesen· Bedingungen, möglich, ist.

Die Erfindung wird an. Hand eines Ausführungsbeispieles in den Fig. 1 bis 4 näher beschrieben. Es zeigt

Fig. ι den konstruktiven Aufbau der Einrichtung im Prinzip,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Gegenkräften in der Schwingspule gemäß Fig. r,

Fig. 3 ein Diagramm des Stromes in der Schwingspule" über die Zeit in Abhängigkeit von der Ladung und Entladung der Kapazität gemäß Fig. 2 und 4,

Fig. 4 eine Abänderung der Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Gegenkräften in der Schwingspule gemäß Fig. 1.

In der Fig. 1 sind nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Einzelteile der Einrichtung zur selbsttätigen Anzeige von Kräften und zur Aufnahme von Kraftwegdiagrammen von Schalteinrichtungen und Federanordnungen im prinzipmäßigen Aufbau dargestellt. Auf eine mit einem Winkelansatz versehenen Platte 1, die in Führungen 2 und 3 in nicht näher dargestellter Weise verschiebbar ist, ist in dem Punkt 4 ein doppelarm iger Hebel 5 und 6 in bekannter Weise drehbar gelagert. Der kurze Hebelarm 5 ist an seinem freien Ende 7 gelenkig mit einem Stift 8 verbunden, der auf einer bestimmten. Stelle des Ankers 9 eines zu untersuchenden und auf einer Grundplatte i' befestigten Systems 10 aufliegt (z. B. dem Angriffspunkt der Betätigung eines nicht dargestellten Federsatzes). Der lange Hebelarm 6 ist mit einer Schwingspule 11 eines permanentdynamischen Systems 12 gekuppelt, das ebenfalls in. bekannter, nicht dargestellter Weise auf der Platte 1 befestigt ist. Die Bewegung des Hebelarmes 6 wird durch die beiden Kontakte 13, 14 auf einen Hub begrenzt, der, auf die Bewegung des Stiftes 8 (und damit des Ankers 9) untersetzt, für diesen vernachlässigbar klein ist. Die Verstellung der Platte 1 erfolgt durch Drehen einer in dem Ansatz 1" geführten Gewindespindel 15, deren Lager 16 fest mit den Führungen 2, 3 und dem zu. untersuchenden System 10 verbunden ist. An der Stellung der auf der Spindel 15 befestigten Skalentrommel ιγ, die von Hand (oder durch einen nicht dargestellten motorischen Antrieb) verstellbar ist, kann die Verschiebung der Platte ι in bezug auf das zu untersuchende System 10 durch den Markierpfeil 17' abgelesen werden. Die Spindel 15 kann ferner mit einer nicht näher dargestellten Trommel 18 gekuppelt sein, die bei einer bestimmten, dem Hub des Ankers 9 entsprechenden Verschiebung der Platte 1 eine volle Umdrehung macht.

Elektrisch in Reihe mit der Schwingspule 11 liegt ein Meßinstrument 19 und parallel zu beiden ein Kondensator 20. Sie sind über den Kontakt 13 und einen Widerstand 21 an eine Spannungs-

quelle U_B angeschlossen. Das Instrument 19 kann in Verbindung mit der Trommel 18 als schreibendes Instrument ausgebildet sein, welches in bekannter Weise ein auf die Trommel 18 gespanntes Papier beschreibt.

Die Messung (bzw. Aufzeichnung) einer Kraftwegkurve wird wie folgt durchgeführt:

Die Platte 1 wird durch Verstellen der Spindel 15 so weit nach links verschoben, bis der Stift 8

bei abgefallenem Anker 9 auf diesen auftrifft und der Kontakt 13 gerade beginnt, zu schließen. Das System 10 wird, nun mit einer konstanten. Erregung beaufschlagt. Der Anker 9 kann jedoch nicht anziehen, da er über Stift 8 und Hebel 6, 5 und Kontakt 13 gefesselt ist. Von der Spannungsquelle U_B fließt ein Strom i (Fig. 2) über den Widerstand 21, den Kontakt 13 und teilt sich in einen Ladestrom i_c (Fig. 2) des Kondensators 20 und einen Spulenstrom i_s (Fig. 2) der Schwing-

spule 11, der auch das Meßinstrument 19 durchfließt. Bei der Zeit t = ο ist die Spannung am Kondensator 20 Null und damit auch i_s = ο (Fig. 3). Mit der Aufladung des Kondensators 20 steigt die Spannung an diesem nach bekannten Gesetzen an.

Dadurch beginnt jetzt ein ansteigender Strom i_s (Fig. 2) durch Schwingspule 11 und Meßinstrument 19 zu fließen, der von dem letzteren angezeigt wird. Mit dem ansteigenden Strom i_s wird, eine entsprechende Kraft von der Schwingspule 11 bzw. ein Drehmoment auf das Hebelsystem 5, 6 ausgeübt, das schließlich die Größe erreicht, die dem von dem Anker 9 erzeugten gleich ist. Ein- sehr geringer weiterer Anstieg des Stromes i_s- läßt das von der Schwingspule 11 ausgeübte Moment überwiegen, so daß der Kontakt 13 öffnet, und damit wird eine weitere Aufladung des Kondensators 20 unterbrochen (Punkt 22 in Fig. 3). Die Entladung des Kondensators 20 setzt nun ein über Schwingspule 11 und Instrument 19. Damit sinkt die von der Schwingspule 11 ausgeübte Kraft bzw. das auf das Hebelsystem S, 6 ausgeübte Drehmoment. Das vom Anker 9 erzeugte Moment überwiegt wieder und schließt den Kontakt 13 erneut (Punkt 23 in Fig. 3). Von da ab wird der Kondensator 2Ό wieder geladen, bis der Strom i_s den Punkt 24 in Fig. 3 erreicht, in gleicher Höhe wie Punkt 22. Der Kontakt 13 unterbricht erneut usf. Der Abstand zwischen den, beiden. Werten wird durch geeignete reibungsarme Ausführungen der Lagerungen des Hebels 5, 6, 8 in sehr engen Grenzen gehalten, so daß in Verbindung mit einer geeigneten, nicht dargestellten Dämpfung des Meßinstrumentes 19 praktisch ein konstanter Wert von diesem angezeigt wird (i_sml in Fig. 3), der in Krafteinheiten, bezogen z. B. auf

die Verbindungsstelle von Stift 8 und Anker 9, ablesbar sein kann (P 1).

Durch Verstellen, der Spindel in, dem Sinne, daß eine Bewegung der Platte 1 nach rechts erfolgt, wird der Anker 9 etwas freigegeben. Er nähert sich der Polfläche 10', und die auf ihn ausgeübte Kraft P steigt an. Das von der Schwingspule 11 auf das Hebelsystem 5, 6 ausgeübte Drehmoment muß daher im Gleichgewichtszustand größer sein,

d. h. die Ladung des Kondensators 20 muß so lange ansteigen, bis der Strom i_s in der Schwingspule 11 den entsprechenden Wert erreicht hat (Punkt 25 in Fig. 3). Von da ab beginnt das Wechselspiel wie vorher beschrieben. Das Meßinstrument 19 zeigt nunmehr als Mittelwert den Strom i_sm2 an bzw. die entsprechend größere Kraft P 2 (Fig. 3). Wird die Spindel 15 so gedreht, daß der in der Schwingspule 11 auftretende Gleichgewichtsstrom (i_{sm v} hm2···) während dieses Vorganges sich einstellen kann, so erhält man eine der jeweiligen Lage des Ankers 9 entsprechende Anzeige der Kraft P, die auf den Stift 8 ausgeübt wird. Mit einem schreibenden System 18 kann man die Kraftwegkurve annähernd kontinuierlich aufzeichnen, Die Anzugskurve des zu messenden Systems 10 läßt sich voll oder teilweise und bei Rückwärtsdrehung der Spindel 15 auch die Abfallkurve in gleicher Weise darstellen. An Stelleeines elektromagnetischen Systems können die Kraftwegkurven von Federn, z. B. Blatt- oder Spiralfedern, oder von Kontaktfedersätzen ebenfalls aufgenommen werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Erzeugung von Gegenkräften, in der Schwingspule 11 zu beeinflussen, ist in der Schaltungsanordnung der Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Anordnung wird vermieden, daß der Steuerkontakt 13 den Spulen- bzw. Meßstrom schaltet. Dazu wird unter Verwendung einer Elektronenröhre: V der Steuerkontakt 13 mit wesentlich geringeren Strömen belastet, die durch eine im Gitterkreis der Röhre liegende Widerstandsund Kapazitätsanordnung gegeben sind. Im Kathodenkreis der Röhre V sind die Schwingspule 11 und das Meßinstrument 19 angeordnet. Die Anordnung der Schwingspule 11 im Kathodenkreis hat sich gegenüber einer Anordnung im Anodenkreis als günstiger erwiesen, da im Kathodenkreis geringere Spannungen gegen Masse vorhanden, sind und eine nachteilige Beeinflussung der Meßergebnisse nicht eintritt.

Im Gitterkreis- der Röhre V liegen, ein Gitterableitwiderstand 34, der Steuerkontakt 13, eine Kapazität 33, parallel dazu (über Kontakt 13) ein Widerstand 32, davor ein weiterer Widerstand 31, der zu einem Potentiometer 30 führt, an das eine Gleichspannung U1 angeschlossen, ist. Der positive Anschluß dieser Spannung Ui liegt an der Kathode der Röhre V. Die Anodenspannung U 2 liegt mit + an der Anode, mit — über dem Meßinstrument 19 (oder Schreibwerk) und Schwingspule 11 an der Kathode der Röhre V.

Die Spannung Ui' wird so eingestellt, daß der Anodenstrom Ja praktisch Null wird. Durch Belastung des Hebels 5, 6 durch die Kraft P (Fig. 1) wird der Kontakt 13 geschlossen. Die auf die Spannung Ui' aufgeladene Kapazität 33 entlädt sich über Widerstand 32. Dadurch wird die Gitterspannung U1" kleiner als die Spannung U1', d. h. bei sinkender Gittervorspannung U1'' beginnt ein Anodenstrom Ja zu fließen, der so weit steigt, bis die im System .12 mit Spule 11 erzeugte Kraft der auf den Hebel 5,6 angreifenden, zu messenden Kraft P' das Gleichgewicht hält. Ein geringer Über-

schuß der Gegenkraft öffnet den Kontakt 13. Die Entladung des Kondensators 33 wird unterbrochen. Der Anodenstrom Ja beginnt mit Aufladung der Kapazität 33 (Ui" ansteigend) zu fallen. Die von der Schwingspule 11 ausgeübte Kraft geht im selben Maße zurück, Kontakt 13 schließt wieder, und das Spiel beginnt von neuem. Die Widerstände 31 und 32 können regelbar oder für einen bestimmten Meßbereich feste Widerstände sein. Ebenfalls kann die Spannung Ui' ohne Potentiometer 30 konstant sein.

Durch Veränderung der Widerstände 31 und 32 kann der Pendelvorgang der Kontaktanordnung 13 und damit die Frequenz des Hebelsystems 5 und 6 (Fig. 1) beeinflußt werden. Es ist auch möglich, einen oder beide dieser Widerstände 31 und 32 durch -elektronische Schaltmittel zu ersetzen, die, von der Höhe der Gittervorspannung Ui" oder des Anodenstromes Ja gesteuert, ihre Widerstands wer te so ändern, daß ein gewünschter Frequenzgang des Hebelsystems 5 und 6 in Fig. 1 entsteht.

Durch Ausbildung der Kontaktanordnung als Wechselkontakt 13 und 14 ist es möglich, die zu messende Kraft P auf das Hebelsystem 5 und 6 in Fig. ι in umgekehrter Richtung wirken zu lassen (P'). Die Richtung der Kraft in umgekehrter Richtung ist in Fig. 1 durch den gestrichelt gezeichneten Pfeil P' dargestellt. Dieser Fall tritt auf, wenn beispielsweise die Kräfte zur Betätigung eines nicht dargestellten Federsatzes aus dem Elektromagnetsystem gemessen werden sollen. Bei der .Einwirkung der zu messenden Kraft P wird durch den Hebelarm 6 der Kontakt 13, wie in der vorhergehenden Beschreibung dargelegt, geschlossen. Dagegen wird bei Auftreten der Kraft P' der Kontakt 14 der Kontaktanordnung betätigt, der dann in den Schaltungsanordnungen der Fig. 2 und 4 an die Stelle des gezeichneten Kontaktes 13 tritt. Die Stromrichtung in der Schwingspule 11 muß dabei gleichzeitig umgekehrt werden.

In Abänderung der Anordnung gemäß Fig. 4 ist die Einrichtung auch für eine Fernübertragung des Meßwertes geeignet. Diese Möglichkeit ist in der Fig. 4 durch die punktiert gezeichnete Anordnung zu erreichen. An Stelle des Meßinstrumentes 19 tritt in den Kathodenkreis der Röhre V ein Widerstand 35, an dessen Ausgängen über eine Fernleitung FL das Instrument 19' angeschlossen ist.

Claims (18)

1. Patentansprüche:

   ι. Einrichtung zur selbsttätigen Anzeige von Kräften und zur Aufnahme von Kraftwegdiagrammen von Schalteinrichtungen und Federanordnungen, bei welcher die zu messenden Kräfte eine Kontakteinrichtung beeinflussen, durch die von einem elektromagnetischen Kreis erzeugten Gegenkräfte gesteuert werden, welche die zu messenden Kräfte im Gleichgewicht halten und elektrisch von einem Meßinstrument angezeigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Kreis eine Einrichtung (ii, 12) mit einer elektrischen Zeitkonstante enthält, durch die der Strom zur Erzeugung der Gegenkräfte im Rhythmus der periodischen Kontaktunterbrechung der Kontaktanordnung (13, 14) um einen Mittelwert nur geringfügig schwankt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer elektrischen Zeitkonstante behaftete Einrichtung als Kondensator (20, 23) ausgebildet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden Kräfte (P₁ P') die Kontaktanordnung (13, 14) über ein doppelarmiges Hebelsystem (4, 5, 6) steuern, an dessen längerem Hebelarm (6) die Kontaktanordnung (13, 14) vorgesehen ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11,12) zur Erzeugung der Gegenkräfte auf den längeren Hebelarm (6) einwirkt.
5. 5· Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11, 12) als permaneaitdynamisches System ausgebildet ist, dessen Schwingspule (11) auf dem längeren Hebelarm (6) befestigt ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingspule (11) in Reihe mit dem Meßinstrument (19) liegt.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (20) parallel zur Schwingspule (11) und zum Meßinstrument (1.9) angeordnet ist, und daß der zugehörige Stromkreis durch die Kontaktanordnung (13) derart beeinflußt wird, daß der durch die Schwingspuk (11) fließende Strom (i_s) für jede zu messende Kraft (P) annähernd konstant bleibt. lco
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungshöhe der Kapazität (33) auf den Gitterkreis einer Elektronenröhre (V) einwirkt, in dessen Anoden- oder Kathodenkreis die Schwingspule (iij und das Meßinstrument (9) angeordnet sind.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (33) auf eine solche Ladespannung (Ui) gebracht wird, daß der Anodenstrom (Ja) der Elektronenröhre (V) praktisch Null ist.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 8 und 9. dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (33') durch die Kontaktanordnung (13) so lange entladen wird, bis durch den demzufolge ansteigenden Strom (Ja) im Anodenkreis in der Schwingspule (11) die zur Betätigung der Kontaktanordnung (13) erforderliche Gegenkraft erzeugt wird.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lade- und Entladestromkreis der Kapazität (33) jeweils ein veränderbarer Widerstand (31, 32) zugeordnet sind, durch die der Pendelvorgang der Kontaktanordnung (13) und¹ damit die Frequenz des Hebelsystems (5, 6) beeinflußbar ist.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch ι bis ii, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktanordnung als Arbeitskontakt (13) ausgebildet ist.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 1 bis ir, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktanordnung als Wechselkontakt (13, 14) ausgebildet ist und daß dabei die Stromrichtung in der Schwingspule (11) umkehrbar ist.
14. 14. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktanordnung (13, 14) und das permanentdynamische System (11, 12) auf einem Träger (1) angeordnet sind, der in der Richtung der zu messenden Kräfte (P₁ P') verschiebbar ist.
15. 15. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßinstrument (19) ein schreibendes Instrument ist.
16. 16. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das schreibende Instrument (19) auf eine mit Papier bespannte Trommel (18) wirkt, die mit einer den Träger (1) verschiebenden Gewindespindel (15, 16, 17) gekuppelt ist.
17. 17. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die bei einer Umdrehung der Trommel (18) durchgeführte Verschiebung des Trägers (1) durch Mittel, z. B. Zahnräder, variiert werden kann.
18. 18. Einrichtung nach Anspruch 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fernübertragung des Meßwertes ein Widerstand (35) in Reihe mit der Schwingspule (11) angeordnet ist, dem. das Meßinstrument (19') über eine Fernleitung (FL) parallel geschaltet ist.

    In Betracht gezogene Druckschriften:
    Deutsche Patentschrift Nr. 830 700.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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