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Blechdickenmesser
Die Aufgabe, eine Blechdicke zu messen, kann aus
verschiedenen Gründen gestellt sein. Beispiels weise interessiert bei ferromagnetischen
Messungen die Blechdicke deshalb, weil sie zur Ermittlung der wirksamen Induktion
berücksichtigt werden muß.
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Ferner werden Blechdicken gemessen, um den Fortschritt des Walzvorganges
von Blechtafeln und Bändern zu beobachten usw.
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Die Messung von Dynamoblechen hat aber eine besondere Bedeutung für
die Technik, weil Bleche dieser Art in sehr großer Menge laufend benötigt werden.
Mechanische Messungen führen nicht zum Ziel, weil auf der Blechtafel die Dicke einer
gewissen Zunderschicht mitgemessen wird. Deshalb kann nur eine magnetische oder
elektrische Methode als wirklich brauchbar und schnell durchführbar in Betracht
kommen.
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Das Verfahren zur Blechdickenmessung an Dynamoblechen oder anderen
Blechen mit gegebenem Stromleitwert mittels eines Meßtransformators, in dessen Luftspalt
das Blech eingeführt wird, hat erfindungsgemäß das Kennzeichen, dß der h/leßtransformator
mit einer für die Messung des magnetischen Kraftflusses dienenden Spule versehen
ist und daß bei konstantem Fluß die Steigerung der primären Stromaufnahme durch
die Einführung des Bleches gemessen wird.
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Es gibt zahlreiche Methoden, um eine Blechdickenmessung zu bestimmen.
Zum Beispiel ist es bekannt, daß die induktive Kupplung zwischen zwei
Spulen
durch das Zwischenschieben eines Bleches, dessen Dicke gemessen werden soll, geschwächt
wird. Eine andere Methode verwendet den Unterschied des Kraftflusses einerseits
durch einen Luftspalt und andererseits durch einen parallelen zweiten Luftspalt,
in den das zu prüfende Blech eingeschoben wird. Die Spannungshöhe zweier -durch
die Kraftflüsse induzierter Spulen wird miteinander verglichen. Auch ist es bekannt,
die induktive Kopplung zweier Spulen durch das dazwischengeschobene Blech (Eisenblech)
zu vergrößern.
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Alle diese Methoden haben ihre besonderen Schwierigkeiten. Die Schwächung
der transformatorischen Kopplung durch die dazwischengeschobene Blechplatte erfordert
eine umfangreichere Anordnung als die, die zur Durchführung des Verfahrens nach
der Erfindung notwendig ist, indem eine Sekundärspule vorgesehen und ihre Spannung
gemessen werden muß. Auch besteht kein eindeutig bekannter Zusammenhang zwischen
den Wirbelströmen in dem Probeblech einerseits und der Spannungsverminderung in
der Sekundärspule, da diese Spannungsverminderung auch von anderen Faktoren abhängt,
z. B. der räumlichen Ausdehnung der Wirbelströme und der gegenseitigen Lage der
Primärspule und der Sekundärspule. Im Gegensatz dazu benötigt das Verfahren nach
der Erfindung nur einen Eisenkörper und eine Primärspule. Die Anordnung, welche
die Verminderung des einen von zwei Kraftflüssen in Luftspalten durch das Einschieben
des Bleches ausnutzt, erfordert ebenfalls Sekundärspuien, damit die verschieden
hohe Spannung der beiden Sekundärspulen miteinander verglichen werden kann. Auf
ähnlicher Grundlage beruht die bekannte dritte Anordnung, welche die induktive Kopplung
zweier Spulen durch das Zwischenschieben des Bleches ändert.
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Diese beiden letzteren Vorrichtungen benutzen einen Spannungsvergleich,
der aber in seinen Ergebnissen unsichere ist als d-as -Meßverfahren nach der Erfindung,
weil die zu vergleichenden Spannungen von den Streubedingungen abhängen.
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Außerdem haftet sämtlichen bekannten Anordnungen der Nachteil an,
daß die Erprobung des Bleches nicht bei einem konstanten und bekannten Fluß erfolgt.
Das Verfahren nach der Erfindung ist zudem bei beliebigen Biecharten anwendbar,
sofern nur eine gewisse Stromleitfähigkeit angenommen werden darf.
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Eine derartige Meßanordnung soll entweder den Effektivwert des Primärstromes
oder den algebraischen Mittelwert oder den Maximalwert oder die Wirk- oder Blindstromkomponente
in Alhängigkeit von der Dicke messen. Vorzugsweise verwendet man zur Messung einen
Vektormesser oder ein Ferrometer in Verbindung mit einer Differentiondrossel im
Primärkreis des Dickentneßgerätes (Meßtransformator).
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Der Meßtransformator ist vorzugsweise ein zweiteiliger Manteltransformator
mit je einer Magnetisierungswicklung und je einer Fluß wicklung. Zwischen die beiden
Teile wird das Blech geschoben, dessen Dicke gemessen werden soll. Infolge des Wechselfiusses,
der das Blech senkrecht durchsetzt, werden im Blech Wirbelströme erzeugt, die bei
konstantem Fluß proportional der Dicke sind. Der Wirbelstrom wirkt auf den Primärstrom
vergrößernd zurück, so daß die Vergrößerung des Primärstromes als Funktion der Dicke
angesehen und gemessen werden kann.
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Die Grundschaltung zur Messung der Dicke mittels einer Messung des
Primärstromes ist die an sich bekannte Ferrometerschaltung zur Messung der Eisenverluste.
Da der Meßtransformator auch eigene Verluste besitzt, wird nur die Verlustvergrößerung
proportional der Dicke des Bleches sein. Um also ohne Korrektur unmittelbar die
Dicke messen und anzeigen zu können, empfiehlt es sich, mit Hilfe eines Kompensationsverfahrens
die Eigenverluste bei der Messung zu kompensieren. Zur weiteren Verbesserung und
zur Vergrößerung der Genauigkeit kann man nun zusätzlich noch den Blindstrom des
Meßtransformators kompensieren, um den Wirkstrom allein als Maß für die Dicke zu
erhalten. Wendet man bei diesem Verfahren Grundwellenfilter an, dann ändert sich
der Wirkstrom als sinusförmig. Dann läßt er sich, zweckmäßig über einen Verstärker
oder auch unmitt!elbar. durch einen Effektivnvertmlesser, anzeigen bzw. auf ein
schreibendes Meßinstrument geben. Dadurch kann dann mit Hilfe eines Elektronenstrahloszillographen
ohne ein Integrationsglied die Leistungsschleife a aufgezeichnet werden, deren Abszissenbreite
unmittelbar eine Funktion der Blechdicke ist, wenn das Achsenkreuz der aufgezeichneten
Leistungsschleife senkrecht steht.
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Die hierzu verwendete Grundschaltung enthält im Primärmagnetisierungskreis
die Magnetisierungswicklung des Meßtransformators und eine Differentiationsdrossel.
Die eigenen Verluste des Meßfransformators sind durch den Widerstand Rw angedeutet,
der parallel zur Primärwicklung liegt.
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Die durch das Blech erzeugten Wirbelströme sind durch den lçurzgeschlossenen
Widerstand Rk wiedergegeben. Das Vektordiagramm (Abb. 3) dieses Meßtransformators
zeigt die Sekundärspannung Um in senkrechter Lage. Dr Magtnetisierungsstrom bei
Leerlauf hat die gestrichelte Richtung und Größe mit weniger als go0 Abweichung
gegen Um rxrit der Wicklungskomponente I. Wird das Blech eingeschoben, dann wird
der Primärstrom durch den zusätzlichen Kurzschlußstrom vergrößert und verdreht.
Die Sekundärspannung der Differentiationsdrossel nimmt als Vektor die Lage UD an,
da diese Spannung senkrecht zum Gesamtstrom J stehen muß. Die Wirkung der Eigenverluste
des Meßtransformators kann dadurch berücksichtigt werden, daß die Spannung UD der
Differentiationsdrossel eine entsprechende Phasenschwenkung ausführt. Diese Phasendrehung
von wird erreicht durch die Belastung einer Tertiärwicklung 63 (Abb. 2) der Differentitionsdrossel
mit einem Widerstand RD. Im Vektordiagramm würde dadurch der Vektor UD in der Phasenrichtung
von Um geschwenkt werden, vorausgesetzt, daß die Blechverluste noch Null sind. In
dem
Maße, wie nun die Blechverluste auftreten, wird der Vektor UD
wieder von Um weggedreht. Die Messung der Kurz schluß verluste erfolgt dann dadurch,
daß man zunächst den Vektormesser an Um legt, mit dem Phasenschieber den Ausschlag
Um gleich Null macht und bei dieser Einstellung den Vektormesser an UD schaltet.
Die dann gemessene Spannung du ist proportional dem durch die Wirbelströme hervorgerufenen
zusätzlichen Primärstrom, der proportional der Dicke des Bleches bei gegebenem Stromleitwert
ist.
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Wird nun zu der Spannung UD noch eine Spannung hinzugeschaltet, die
in Gegenphase zum Um ist und mittels eines regelbaren Transformators so eingestellt,
daß sie der Blindkomponente von UD entspricht, dann bleibt eine Spannungskomponente
d u übrig, die vieder proportional dem gesuchten Wirkstrom ist. In diesem Fall steht
die Leistungsschleife senkrecht zur Abszisse. Der Abszissenabschnitt ist wieder
der Wirkstrom und der Dicke proportional.
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An Stelle des Ferrometers kann auch ein Elektronenstrahloszillograph
oder ein Koordinatenschreiber verwendet werden, indem die Spannung Um über einen
Verstärker und ein Grundwellenfilter auf die Y-Achse und die Spannung du über einen
Verstärker und ein Grundwellenfilter auf die X-Achse gegeben werden. Obwohl keine
Integration angewendet wird, so entsteht doch bei vollkommener Blindstromkompensation
eine senkrecht stehende Leistungsschleife. Zusätzlich kann man die Spannung des
Filterausgangs über einen Gleichrichter mit Kondensator algebraisch mitteln, so
daß dann die Spannung des Kondensators als der Dicke proportionale Größe in einem
zweiten Oszillographen aufgezeichnet werden kann. Als Oszillograph kann ein weiterer
Elektronenstrahloszillograph oder auch Schleifenoszillograph Verwendung finden.
Die gefilterte sinusförmige Spannung des Meßtransformators Um kann dann auch auf
einen Effektivwertspannungsmesser gegeben werden, so daß mit dessen Hilfe der Magnetisierungsstrom
immer auf einen konstanten Wert ansprechend der Bedingung des konstanten Flusses
eingestellt werden kann. In einer vierten weiteren Anwendung kann die gefilterte
Spannung du über einen Verstärker ohne weiteres auf einen Effektivwertmesser für
den Strom gegeben werden, so daß durch den Ausschlag des Amperemeters die Dicke
des Bleches ablesbar oder in einem Zeitdiagramm aufzeichenbar ist.
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Zur Erläuterung der Erfindung dienen fünf Figuren.
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Fig. I zeigt schematisch den Aufbau des Meßtransformators. Aus zwei
E-förmigen Kernen I ergibt sich der Eisenkörper eines Manteltransformators. Zwischen
den beiden E-förmigen Kernen ist aber ein Luftspalt gelassen für die Einführung
des zu untersuchenden Bleches 4. Die Erregerspule des Meßtransformators ist symmetrisch
auf die Mittelschenkel beider Eisenkörper verteilt und mit 2 bezeichnet. Ebenfalls
trägt jeder Mittelschenkel der beiden Eisenkörper dicht am Luftspalt eine Induktionsmeßwicklung
3, die gleichsinnig in Reihe liegen. Eine Differentiationsdrossel 6 ist diesem Meßtransformator
vorgeschaltet, so daß die primäre Stromaufnahme des Meßtransformators zugleich auch
identisch ist mit dem Strom in der Differentiationsdrossel.
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Diese sind in Fig. 2 in einem schematischen Schaltbild gemeinsam
dargestellt. Die Differentiatiorisdrossel ist mit 6 bezeichnet. Sie hat eine Primärwicklung
6I, eine Sekundärwicklung 62 und eine Tertiärwicklung 63. An der Wicklung 63 liegt
ein einstellbarer Belastungswiderstand RD. Die Sekundärspannung dieser Drossel ist
UD. Der Meßtransformator hat einen Eisenkörper I, eine Primärwicklung2, eine Induktionsmeßwicklung
3, und 5 ist die durch das Blech gebildete Kurzschlußwicklung mit dem Kurzschlußwiderstand
Rk. Von der Induktions- qder richtiger Flußmeßwicklung 3 wird die Spannung Um abgenommen.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise ist in Bild 3 das schon erläuterte
Vektordiagramm dargestellt.
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Fig. 6 zeigt die Mittelwertmessung mit Aufzeichnung des Kurzschlußstromes.
In Fig. 6 a liegt an den Ablenkelektroden eines Kathodenstrahloszille graphen I6
ein Mittelwertsbildner, der aus einem Gleichrichter 17 mit einem Kondensator I8
mit Lackwiderstand besteht. Die Spannung U nach Fig. 4 wird durch einen Verstärker
nötigenfafls verstärkt und ferner gefiltert.
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Es kann auch ein Schleifenoszillograph Ig angeschlossen werden (Fig.
6b).
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Durch den Einsatz eines Filters ist es möglich, unmittelbar einen
Effektivmesser zu verwenden, wie in Fig. 6c gezeigt ist. Dies erlaubt es, die Fluß
stärke durch das Blech zu kontrollieren und konstant zu halten.
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In Fig. 6d ist eine Iicgistrierliurve für die gesuchte Wirhelstromstärke
gezeigt.
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In Fig. 7 ist parallel oder statt des Oszillographen 16 (Fig. 6a)
ein Effektivwertanzeiger 12 verwendet, der aber ein Grundwellenfilter voraussieht.
Es wird der Kurzschlußstrom angezeigt oder aufgezeichnet, im Zustand der vollen
Kompensation des Blindstromes.
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Fig. 4 zeigt die Ausführung der Grundschaltung mit Blindstromkompensation.
Von Um wird iiber einen Zwischenwandler 7 eine einstellbare Gegenspannung in den
Kreis der Spannung UD eingeführt, welcher dort UD bis auf die Komponente A U (Fig.
3) aufhebt. Bei 8 und 8I sind Grundwellenfilter angedeutet, durch 10 und ii gesteuerte
Gleichrichter und durch g und 91 Gleichstrommeßgeräte, welche den Mittelwert des
Magnetisierungsstromes oder des Kraftflusses anzeigen.
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Fig. 5 zeigt die Verwendung eines Elektronenstrahloszillographen
an Stelle des Ferrometers. Die Differenzspannung dU wird über Verstärker 20 und
Grundwellenfilter 82 auf die Abszissenplatten r gegeben. Die Abszissenamplitude
ist proportional dem Kurzschlußstrom und somit der Dicke. Dic Sekundärspannung Um
wird über Verstärker 21 und Grunrlwellenfilter83 auf die Y-Platten gegeben.
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Die aufgeschriebene Leistungsschleife steht im Falle der Blindstromkompensation
senkrecht (Fig. usa).