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Vorrichtung zur Beseitigung von Temperaturgangsfehlern in Drehmomentmeßgeräten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausgleich von Temperaturgangsfehlern
in Drehmomentmeßgeräten durch Luftspaltbeeinflussung.
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Bekanntlich kann das Drehmoment in einer magnetischen Welle so gemessen
werden, daß die Welle mit einem oder mehreren stationären magnetischen Kernen umgeben
wird, deren vorstehende Pole der Welle zugekehrt sind und die in Richtung der Wellenachse
nebeneinander angeordnet sind. Einer der Kerne ist mit einer an eine Wechselstromquelle
angeschlossenen Primärwicklung und der andere Kern oder die anderen Kerne sind mit
an einem Meßgerät angeschlossenen Sekundärwicklungen versehen. Die Sekundärwicklung
ist in bezug auf die Primärwicklung in einem Winkel von 450 angeordnet. Wenn die
magnetische Welle lastfrei ist, liegen die Magnetfelder zwischen den verschiedenen
Polen symmetrisch, so daß unter den Sekundärpolen Linien gleichen Potentials symmetrisch
angeordnet sind.
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Wenn nun auf die magnetische Welle ein Drehmoment wirkt, nimmt die
Permeabilität dieser Welle in der Zugrichtung zu, während die Permeabilität in der
Druckrichtung abnimmt. Die dabei auftretenden Magnetflüsse wirken so zusammen, daß
sie in der Sekundärwicklung eine Ausgangspannung induzieren.
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Zum Messen des Drehmomentes in Wellen, deren magnetische Eigenschaften
nicht ausreichen, ist vorgeschlagen worden, um die lasttragende Welle eine magnetische
Hülse zu befestigen und dabei die durch die Torsionsbeanspruchung der Hülse hervorgerufenen
Permeabilitätsänderungen zu messen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt auch noch
darin, daß das Material für die Welle so gewählt werden kann, daß die Welle beispielsweise
hinsichtlich ihrer Festigkeit und Härte optimale Eigenschaften erhält. Außerdem
kann andererseits für die Hülse ein Material mit den gewünschten optimalen magnetischen
Eigenschaften ausgesucht werden.
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Es wurde festgestellt, daß die bekannten Drehmomentmeßgeräte temperaturabhängig
sind, d. h., die Empfindlichkeit des Gerätes ändert sich mit der Temperatur.
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Zur Temperaturkompensation sind verschiedene Anordnungen vorgeschlagen
worden, zu denen auch die Verwendung einer variablen Erregungsspannung für die Meßwicklungen
des Drehmomentmessers gehört. Hierbei wird die Spannung als vorbestimmte Funktion
der Temperatur so geregelt, daß trotz Temperaturschwankungen eine konstante Ansprechempfindlichkeit
aufrechterhalten wird. Diese Anordnung ist zwar neuartig und auch genau, hat aber
den
Nachteil, daß das System kostspieliger und komplizierter wird.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine verhältnismäß1g einfache, aber genaue
Vorrichtung zum Ausgleich von Temperaturgangsfehlern in Drehmomentmeßgeräten zu
schaffen, die weder besondere Bauteile noch komplizierte Regeleinrichtungen erfordert.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Beseitigung von
Temperaturgangsfehlern in Drehmomentmeßgeräten zum Messen der Torsionsbeanspruchung
in einer umlaufenden Welle, in denen angrenzend an die Welle ein stationärer Kern
angeordnet ist, der mit dem Kern versehene Abschnitt der Welle magnetostriktive
Eigenschaften aufweist und um den stationären Kern eine mit Wechselstrom gespeiste
Primärwicklung und ferner eine Sekundärwicklung angebracht ist, wobei die primären
und sekundären Wicklungen entlang der Welle im Abstand und in bezug auf die Längsachse
der Welle in einem Winkel von 450 angeordnet sind, und die dadurch gekennzeichnet
ist, daß zwischen dem Kern und der Oberfläche der Welle ein vorbestimmter Luftspalt
angeordnet ist und der magnetostriktive Abschnitt der Welle einen gegebenen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist, der größer ist als der Ausdehnungskoeffizient des Kernes.
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Wenn um die Welle eine magnetische Hülse befestigt ist, werden für
diese beiden Bauteile Materialien gewählt, die gleiche Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen.
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Durch diese Ausbildung ändert sich der Luftspalt im umgekehrten Verhältnis
zu den Temperaturänderungen. Mit anderen Worten, wenn die Temperatur ansteigt, wird
der Luftspalt zwischen der Welle und dem oder den Kernen kleiner, und umgekehrt.
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Die Verengung im Luftspalt bewirkt eine Erhöhung des magnetischen
Kraftschlusses und dadurch ein Ansteigen der Änderung des Magnetflusses, der von
dem auf die Welle aufgebrachten Drehmoment herrührt. Diese Erhöhung der Magnetflußänderung
kompensiert das Absinken der Änderung des vom auf die Welle angreifenden Drehmomentes
herrührenden magnetischen Kraftflusses, das durch Ansteigen der Temperatur der Welle
bewirkt wird, und umgekehrt.
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Die Erfindung wird nachstehend in einem Ausführungsbeispiel an Hand
der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt F i g. 1 eine Vorderansicht eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles, F i g. 2, 3 und 4 Querschnitte längs der Linie 2-2 in F i
g. 1, wobei F i g. 2 die Einzelheiten der Kerne und Spulen zusammen mit dem Umriß
der Welle, Fig.3 die Einzelheiten der rotierenden Welle zusammen mit den Umrissen
von Kernen und Spulen und F i g. 4 die Einzelheiten des Kernes zeigt, Fig. 5 eine
ebene Projektion der Pole des Kernes auf die Buchse, F i g. 6 eine elektrische Schaltskizze,
die die Auswertung der Erfindung zeigt, Fig. 7 eine Kurve, die die nicht kompensierten
Fehler bei tieferen und höheren Temperaturen veranschaulicht.
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Das Drehmoment greift an einer rotierenden Welle 10 an, die bei 12
durch Keilnuten mit einer Antriebsmaschine (nicht dargestellt), wie etwa einer Gasturbine,
verbunden sein kann. Die Welle 10 kann aus einem Werkstoff mit oder ohne magnetostriktiven
Eigenschaften bestehen. Sind nicht ausreichende magnetostriktive Eigenschaften vorhanden,
wird eine magnetische Hülse 14 durch Schweißen oder auf andere Weise um den Umfang
der Welle 10 bei 16 und 18 starr befestigt. Hülse und Welle müssen aus Werkstoffen
mit demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Die Welle 10 und die daran
befestigte Hülse 14 werden in an sich bekannter Weise durch Wärmebehandlung spannungsfrei
gemacht. Dadurch wird eine vorgegebene statische Torsionsdehnung an die Welle 10
und die Hülse 14 angelegt, so daß die Abhängigkeit zwischen magnetostriktiver Dehnung
und Induktivität der Hülse 14 verändert wird. Die an der Welle und Hülse angelegte
statische Dehnung liegt im allgemeinen höher als jede Dehnung, die sich aus dem
Angreifen eines Drehmomentes an der Welle im normalen Betrieb ergibt.
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Die magnetische Hülse 14 ist umgeben von einem Transformator 19,
zu dem ein aus drei Teilen bestehender, laminierter Magnetkern 20 gehört. Jedes
der Teile weist mehrere Pole auf, die sich radial in Richtung auf die Hülse 14 erstrecken,
aber in einem kleinen Abstand vor der letzteren enden, um einen kleinen Luftspalt
um den gesamten Umfang der Hülse 14 herum zu bilden. Erfindungsgemäß wird dieser
Luftspalt beeinflußt.
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Zwischen Torsionsdehnung und magnetischen Effekten besteht eine Beziehung.
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Bekannt ist auch, daß die mittlere Breite des Luftspalts zwischen
den Magnetkernen und der Hülse
die Empfindli chkeit derEichung Drehmoment-Drehmomentmesseranzeige
beeinflußt. Das heißt, wenn der Luftspalt kleiner wird, nimmt die Empflndlichkeil
zu. Um diese Erscheinung auszunutzen, wird die Welle und die Hülse aus Werkstoffen
hergestellt, deren Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient
der I(ernbleche, so daß die mittlere Breite des Luftspalts mit steigender Temperatur
abnimmt. Durch richtige Wahl des Außendurchmessers der Welle oder Hülse, der Nennbreite
des Luftspalts und der Differenz der Wärmeausdehnung zwischen der Hülse und Welle
einerseits und den Kernblechen andererseits, wird eine Kompensation der Abnahme
der Empfindlichkeit des Drehzahlmessers in Abhängigkeit von der Temperatur erreicht.
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Durch praktische Ermittlung sind- durch entsprechende Auswahl der
Werkstoffe Kompensationen erzielt worden, bei denen die Abweichung innerhalb eines
Temperaturbereiches von 1380 C weniger als 1 °/o betrug. Diese Ergebnisse wurden
mit einem praktisch verwerteten Drehmomentmeßgerät erzielt, und zwar mit Kernblechen
aus 50 °/o Nickel und 50 O/o Eisen (Wärmeausdehnungskoeffizient = 3,2 10-6 pro 0,550
C), einer Hülse aus einem Stahl mit 2,50/0 Silizium (Wärmeausdehnungskoeffizient
= 6,4 10-6 pro 0,550 C), einem Wellendurchmesser von 45,72 mm und einem Luftspalt
mit einer Nennbreite von 0,356 mm bei 23,890 C. Die mit den oben aufgeführten Werkstoffen
erzielten Ergebnisse zeigt F i g. 7.
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Aus dieser F i g. 7 ist auch der Vorgang bei Kältegraden zu ersehen.
Die Kurve zeigt die nicht kompensierten Fehler bei tieferen und auch bei höheren
Temperaturen, die von der Tatsache herrühren, daß Schwankungen im Luftspalt umgekehrt
quadratisch auftreten. In dieser graphischen Darstellung gibt die Ordinate den Fehler
und die Abszisse die Temperatur an.
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F i g. 4 zeigt den Magnetkern 20, und F i g. 5 ist die Projektion
der Polabstände für jeden Abschnitt.
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Der Kern 20 umfaßt einen Primärteil 22 mit drei Polen 24 a bis 24
c, von denen jeder um den inneren Umfang des Kernes herum in einem Abstand von 1200
vom nächsten angeordnet und mit den Primärwicklungen 26 a, 26 b und 26c versehen
ist.
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Der Sekundärteil des Kernes ist mit sechs Polpaaren versehen. Die
Pole in je drei der Polpaare 26erz, 30a, 28b und 30b und 28c und 30c sind mit den
Polen 26a, 26 b und 26c längs einer Linie ausgerichtet, die mit der Achse der Welle
10 einen Winkel von 450 bildet. Diese Linie entspricht der Richtung der Zugkraft,
die als Folge des Angreifens eines Drehmoments an der Welle entsteht. Die drei anderen
Sekundärpolpaare 32 a und 34 a, 32b und 34 b und 32 c und 34 c sind in gleicher
Weise mit den Primärpolen ausgerichtet, jedoch in der Druckrichtung. Jeder der Pole
28 a bis 28c und 30a bis 30c ist mit einer Wicklung 36a bis 36c bzw. 38a bis 38
c versehen, die in entsprechenden Paaren angeordnet sind, während die Pole 32 a
bis 32 c und 34 a bis 34c in gleicher Weise mit Wicklungen 40a bis 40 c und 42 a
bis 42c versehen sind. Es sind also Paare der Wicklungen 36a bis 36c und 38a bis
38c mit jeweils einer Primärwicklung 26a bis 26c in der Zugrichtung ausgerichtet,
während Paare der Wicklungen 40 a bis 40c und 42 a bis 42c in gleicher Weise in
der Druckrichtung ausgerichtet sind. Wie Fig. 6 zeigt, sind sowohl die Wicklungen
40 a, 42 a,
40b, 42 b, 40c, 42c als auch die Wicklungen 36 a, 38
a, 36 b, 38 b, 36 c und 38 c hintereinandergeschaltet. Die geometrische Anordnung
der Wicklungspaare bedeutet, daß jedes Wicklungspaar nur durch die Druckdehnung
oder nur durch Zugdehnung beeinflußt wird und daß etwaige Inhomogenitäten in der
Hülse 14 durch die Serienschaltung der Paare ausgemittelt werden.
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Es ist nun zu verstehen, daß der Einfluß der Zugdehnung die elektrische
Stromleistung oder -abgabe senkt, die in den Wicklungen 36a bis 36c und 38a bis
38c durch einen konstanten Prozentanteil des ursprünglichen Signals erzeugt wird,
wenn das Drehmoment von 0 auf einen gewissen Wert erhöht wird.
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Ferner erhöht der Einfluß der Druckdehnung bzw.
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-beanspruchung die elektrische Leistung, die in den Wicklungen 40a
bis 40c und 42 a bis 42c durch einen entsprechenden Prozentanteil des ursprünglichen
Signals erzeugt wird, wenn das Drehmoment von 0 auf einen gewissen Wert erhöht wird.
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Vorzugsweise ist der ganze Kern mit einem Kunststoff umgossen (nicht
dargestellt) und sitzt fest in einer Halterung 41 mit Löcher 42, derart, daß er
in bezug auf die rotierende Welle stationär angeordnet ist. Von den Spulen führen
Anschlußdrähte 44 durch eine Manschette 46 zu den Regeleinrichtungen und einem in
Fig. 6 schematisch dargestellten Anzeigegerät.
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Gemäß F i g. 6 sind die Primärwicklungen 26 a bis 26c mit einer Wechselstromquelle
44 parallel geschaltet, und der durch diese Wicklungen fließende Strom dient zur
Erzeugung eines konstanten magnetischen Flusses in der Hülse 14. Die in den hintereinandergeschalteten
Sekundärwicklungen 36a bis 36 c und 38 a bis 38 c induzierten Wechselströme werden
mit Hilfe eines Brückengleichrichters 46 in einen Gleichstrom umgewandelt, und die
in den Sekundärwicklungen 40 a bis 40 c und 42 a bis 42 c induzierten Wechselströme
werden mit Hilfe des Brückengleichrichters 48 in einen Gleichstrom verwandelt. Die
Widerstände 50 und 52 liegen parallel zum Ausgang des Gleichrichters 46, und die
Widerstände 54 und 56 sind parallel zum Ausgang des Gleichrichters 48 geschaltet,
wobei die Widerstände 50 und 54 regelbar sind, um beim Fehlen eines an der Welle
angreifenden Drehmoments den Ausgang der Gleichrichter auf Null einregeln zu können
und um die Steigung der Kurve Drehmoment/Ausgangsstrom so einstellen zu können,
daß sie mit der Eichung des Anzeigeinstruments übereinstimmt. Die mit den Widerständen
62, 64, 66, 68 und 70 parallelgeschalteten Kondensatoren 58 und 60 stellen den Eingangskreis
des Anzeigeinstruments 72 dar, wobei der Widerstand 62 eine verstellbare Anzapfung
hat, die zur Nullstellung des Anzeigeinstruments72 benutzt werden kann.
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Zum Eichen des Systems ist erforderlich, daß der durch das Anzeigeinstrument
72 fließende Strom einer ganz bestimmten Beziehung zwischen Drehmoment und Strom
entspricht. Das ist nötig, um das Anzeigeinstrument frei auswechseln zu können,
ohne daß das System des Anzeigers 72 nachgeeicht werden muß.
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Die Standardisierung des Drehmomentes in bezug auf die Eichung des
Stromes erfolgt dadurch, daß das Anzeigeinstrument ohne ein an der Welle angreifendes
Drehmoment auf Nullausschlag eingeregelt wird, indem die Anzapfung am Widerstand
50 verstellt wird, um den Widerstand zwischen Punkt 74 und dem Widerstand 52 zu
erhöhen und indem gleichzeitig ein Verstellen des Widerstandes 54 um einen gleichen
Betrag erfolgt, um den Widerstand zwischen Punkt 76 und dem Widerstand 56 herabzusetzen,
oder umgekehrt.
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Die Steigung der Kurve Drehmoment/Strom wird dadurch verändert, daß
die Potentiometer 50 und 54 gleichzeitig um einen gleichen Betrag verstellt werden,
um den Widerstand zu erhöhen oder zu erniedrigen. Die Linearität der Beziehung Drehmoment/Strom
wird dadurch verändert, daß an der Welle 12 mit der daran angebrachten Hülsel4 ein
Drehmoment angelegt wird. Das Anlegen von Drehmoment in der zu messenden Richtung
aber in einer Höhe, die das höchste zu messende Drehmoment übersteigt, macht die
Kurve Drehmoment/Strom stärker linear. Läßt man ein Drehmoment in der entgegengesetzten
Richtung, aber ebenfalls in einer Höhe angreifen, die das höchste zu messende Drehmoment
übersteigt, so wird die Beziehung Drehmoment/Strom nicht linear.