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Vorrichtung zum Messen der Beschleunigung, der wirkenden Kraft, des
Impulses, der Geschwindigkeit oder der Leitfähigkeit von elektrisch leitenden Medien
Eine Sonde zum Messen der Leitfähigkeit und/ oder der Geschwindigkeit eines elektrisch
leitenden, bewegten fluiden Mediums auf elektromagnetischem Wege ist in der deutschen
Patentschrift 1160096 schon vorgeschlagen worden. Dabei sind zwei Feld spulen mit
entgegengesetztem Wicklungssinn gleichachsig im Innern eines Isolierrohres mit Abstand
voneinander zum Erzeugen eines magnetischen Hilfsfeldes angeordnet. Weiterhin ist
im wesentlichen außerhalb eines Isolierrohres mindestens eine mit einem Teil in
das Isolierrohr in den Ab-Mdsbereich der beiden Feldspulen hineinragende Aogowsky-Spule
derart angeordnet, daß die Normale ä die durch die Achse der Rogowsky-Spule be bte
Ebene senkrecht zur Feldspule steht. An die Rogowsky-Spule selbst ist über ein Integrierglied
ein das Produkt aus Leitfähigkeit und Geschwindigkeit messendes Anzeigegerät angeschlossen.
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Diese Sonde wird zweckmäßig dann verwendet, Wenn einerseits ihre
relativ große axiale Ausdehnung rntcht stört und andererseits das umgebende Medium
- auch ohne Einwirkung der Sonde - stromfiffirend ist. Da ein stromffihrendes Medium
auch von sich aus Ströme in der Meßspule der Sonde induzieren kann, sind bei der
früheren Sande zwei Meßspulen vorgesehen, in denen sich die induzierten Ströme gegenseitig
aufheben. Soll jedoch in einem stromlosen Medium gemessen werden, so ist der komlizierte
Aufbau der früher vorgeschlagenen Sonde teilweise überflüssig. Die relativ große
axiale Ausdehnung der früheren Sonde kann sogar stören, wenn Messungen in elektrisch
leitenden Körpern mit zylindrischen Durchbohrungen vorgenomruen werden sollen.
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Eine Einrichtung zum Messen von Beschleunigungswerten von sich drehenden
elektrisch leitenden Scheiben oder Zylindern oder sich linear bewegenden Bändern
ist aus derUSA.-PatèrKschrift 2460 115 bekannt. Dabei werden in den durch Messung
zu erfassenden Körpern mehr oder weniger unregelmäßige Wirbelströme erzeugt, so
daß sich in den zugehörigen Meßspule nur schwache Ströme ergeben, die vor der Zufu.hrung
zu einem Meßgerät erst noch verstärkt werden müssen. Eine weitere Einrichtung zur
Geschwindigkeitsmessung ist in der USA.-Patentschrift 2608860 beschrieben worden.
Nach dieser Patentschrift wird eine Erregerspule benutzt, deren Achse senkrecht
zur Bewegungsrichtung des be wegten Mediums steht. Weiterhin ist die Meßspule in
der Ebene der Erregerspule in Forn einer Acht ge wickelt. Durch diese WickIùngs£orm
soll erreicht werden, daß sich z.B. in der Meßspule der vom
Erregerfeld unmittelbar
induzierte Strom auslöscht.
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Die Einrichtungen nach den beiden USA.-Patentschriften haben also
den Nachteil, daß sie einerseits recht aufwendige Nebenapparaturen benötigen und
andererseits nur sehr einseitig - zur Messung von Bescldeunignngswerten bzw. zur
Geschwindigkeits messung - anwendbar sind.
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Die Erfindung bezieht sich dagegen auf eine Vorrichtung zum Messen
der Beschleunigung, der wirkenden Kraft, des Impulses, der Geschwindigkeit oder
der Leitfähigkeit von bewegten elektrisch leitenden Körpern mit zylindrischen Durehbohrungen,
Flüssigkeiten und Gasen auf elektromagnetischem Wege, wobei zwei Felderzeuger verwendet
sind, die mit entgegengesetzter magnetischer Polung gleich achsig im Innern eines
Isolierrohres mit Abstand voneinander angeordnet sind und zum Erzeugen eines bezüglich
der Felderzeugerachse radialen magnetischen Gleich- oder Wechseihilfsfeides dienen,
s(,wie mit einer Meßspule und einem daran angeschlossenen, in Einheiten der Meßgröße
geeichten Anzeigegerät. Erfindungsgemäß ist die Meßspule im Abstandsbereich der
beiden Felderzeuger innerhalb des Isolierrohres gleichachsig zu den Felderzeugern
angeordnet.
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Die Felderzeuger können als Feldspulen mit entgegengesetztem Wicklungssinn
oder als Permanentmagnete mit entgegengesetzter Polung ausgebildet sein.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß das
Meßsystem während der Messung in Ruhe bleiben kann. Dadurch wird es moglich, eine
hohe Zeitauflösung zu erreichen. Zusammen mit dem robusten Aufbau ergeben sich Eigenschaften,
die
eine Anwendung bei kurzzeitig wirkenden starken Kräften besonders geeignet machen.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich auch örtliche Leitfähigkeitsschwankungen
in be wegten Rohren gleichmäßiger Wandstärke - also bewegten elektrisch leitenden
Körpern mit zylindrischen Durchbohrungen - messen.
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An Hand der schematischen Zeichnung und einiger Anwendungsbeispiele
wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung
im Schnitt, F i g. 2 die Anordnung der Vorrichtung zur Messung der Beschleunigung
eines frei fallenden Rohres, Fig. 3 ein Oszillogramm der bei der Beschleunigungsmessung
induzierten Spannung in der Meßspule, Fig.4 eine graphische Darstellung des Verlaufs
der Beschleunigung und der Geschwindigkeit eines Rohres beim freien Fall auf eine
Feder, F i g. 5 die Anordnung der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur dynamischen
Kraftmessung.
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F i g. 1 zeigt die Vorrichtung gemäß der Erfindung im Schnitt. Mit
11 sind zwei Feldspulen mit entgegengesetztem Wicklungssinn dargestellt. Diese zwei
Feld spulen dienen zum Erzeugen eines magnetischen Gleich- oder Wechselhilfsfeldes
und sind im Innern eines Isolierrohres 12 mit Abstand voneinander angeordnet. Im
Abstandsbereich der beiden Feldspulen befindet sich eine Meßspule 13 gleichachsig
zu den Feldspulen. Die Meßspule ist an ein Anzeigegerät 14, das z. B. in Spannungs-
bzw. Beschleunigungswerten geeicht ist, angeschlossen.
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In F i g. 2 wird eine Anordnung der Vorrichtung gemäß der Erfindung
zur Beschleunigungsmessung für ein frei fallendes Rohr gezeigt. Mit 21 sind zwei
Feldspulen zum Erzeugen eines magnetischen Gleich-oder Wechselhilfsfeldes, mit 22
ein Isolierrohr, mit 23 die Meßspule, mit 24 ein Anzeigegerät, an das bei 25 die
Meßspule angeschlossen ist, mit 26 ein Kupferrohr, dessen Beschleunigung beim Fall
gemessen werden soll, und mit 27 eine Feder bezeichnet. Das obere Ende der Feder
27 steht in gutem elektrischem Kontakt mit einer Metallplatte 28. Mit 201 sind eine
Stromquelle, mit 202 ein Meßwiderstand und mit 203 zwei weitere Anschlußklemmen
für das Anzeigegerät bezeichnet.
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Das Rohr 26, dessen Beschleunigung gemessen werden soll, wird koaxial
zu den Feldspulen 21 bewegt, wobei die radiale Komponente des Magnetfeldes eine
Spannung im Rohr induziert. Dadurch wird im Rohr ein Ringstrom erzeugt, dessen Magnetfeld
die Meßspule 23 durchsetzt und bei seinen zeitlichen änderungen das Meßsignal erzeugt.
Die Stromdichte des Ringstromes ist gegeben durch j = GVS1. (1) Hierin bedeutet
a die elektrische Leitfähigkeit des Rohrmaterials, v die Geschwindigkeit des Rohres
und Bl die Radialkomponente des Magnetfeldes.
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Den Kreis strom 1R erhält man durch Integration über die Fläche.
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IR = SjR df Jsa v 23l df . (2) o und v sind über diese Fläche konstant.
Errechnet man ein mittleres Magnetfeld sE3l, dann kann man (2) umschreiben in IRo:
v 231L (RaRW) . (3)
Hierin bedeutet L die wirksame Länge des Magnetfeldes und die
Differenz Ra Rt die Wandstärke des Rohres.
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Der Magnetfluß b innerhalb eines Zylinders mit der Länge L und dem
Radius R, in dem ein azimutaler Strom fließt, hat den Wert L In der Meßspule induziert
eine zeitliche Änderung dieses Flusses die Spannung U=n 0 Q, q. (5) n bedeutet die
Windungszahl der Spule.
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Die Meßspule wird nur von einem Bruchteil q des Flusses durchsetzt.
Bei homogener Feldverteilung wie sie im Innern eines azimutal vom Strom durchflossenen
Zylinders annähernd gegeben ist, ist dieser Bruchteil q gleich dem Querschnittsverhältnis
der Spule und des Rohres.
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Aus den Gleichungen (3), (4) und (5) folgt: U = p n 8 y0 (Ra + Ri)
z 0. es31 - RZ) dv 4 dt (6) Das Rohr 26 wird durch Lösen einer nicht gezeichneten
Arretierung der Erdbeschleunigung ausgesetzt. Es bewegt sich im freien Fall koaxial
an der Meßstelle 23 vorbei, trifft auf eine Feder 27, wird abgebremst, in die Höhe
geschleudert und fällt dann wieder auf die Feder zurück. Die dabei auftretenden
Beschleunigungen werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen.
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In Fig. 3 ist ein Oszillogramm der beim Fall des Rohres in der Meßspule
induzierten Spannung gezeigt. Auf der Abszisse ist die Zeitachse t und auf der Ordinate
die Spannung U aufgetragen. Die Kurve 31 zeigt den Spannungsverlauf der in der Meßspule
beim Fall des Rohres induzierten Spannung. Berührt das Rohr die Feder bei 28, so
wird dadurch ein Stromkreis über die Stromquelle 201 und den Widerstand202 geschlossen,
so daß durch Messung des am Widerstand 202 auftretenden Spannungsabfalls am Anzeigegerät
der Augenblick des Auftreffens sowie Ablösens des Rohres auf bzw. von der Feder
genau festgestellt werden kann. Kurve 32 zeigt jeweils den Auftreff- bzw. Ablösezeitpunkt
des Rohres auf bzw. von der Feder. Im Zeitpunkt wird die Arretierung für das Rohr
gelöst. Das Rohr bewegt sich beschleunigt, bis es bei b auf die Feder trifft.
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Die Beschleunigung beim freien Fall ist zeitlich konstant, wie es
auch der Kurvenverlauf zwischen a und b zeigt; sie ist gleich der Erdbeschleunigung.
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Diese Tatsache kann zum Eichen der Anordnung verwendet werden. Das
Rohr staucht nach dem Auftreten die Feder und erhält dadurch eine Beschleunigung
in entgegengesetzter Richtung. Ihren zeitlichen Verlauf zeigt die Kurve 31 zwischen
b und c. In Punkt c löst sich das Rohr wieder von der Feder und ist der Erdbeschleunigung
ausgesetzt.
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Deshalb verläuft die Beschleunigungskurve zwischen c und d, dem Zeitpunkt
des nächsten Auftreffens auf die Feder, horizontal mit der gleichen Amplitude wie
beim ersten Fall zwischen a und b. Dies wiederholt sich nun noch einige Male, bis
die gedämpfte Schwingung abgeklungen ist. Das zeitliche Integral
der
Beschleunigung vom Beginn der Bewegung des Kupferrohres bis zu dessen Stillstand
nach dem Abklingen der Schwingung muß verschwinden, weil dieses Integral die Geschwindigkeit
des Rohres darstellt, welche nach dem Versuch gleich Null ist.
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Dies wurde durch graphische Integration der Meßkurve31, die sich über
die ganze Dauer des Vorganges erstreckt, nachgeprüft und ist in Fig.4 graphisch
dargestellt.
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Im oberen Diagramm der Fig.4 entspricht die Kurve 41 der Meßkurve
31 gemäß der F i g. 3. Auf der Abszisse ist die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate
ist die Beschleunigung b in m/sec2 aufgetragen. Im unteren Diagramm der Fig. 4 zeigt
die Kurve 42 den Verlauf der Geschwindigkeit des Rohres nach Integration der Kurve
41. Auf der Abszisse ist auch hier wiederum die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate
die Geschwindigkeit v in m/sec aufgetragen. Kurve 42 wurde durch graphische Integration
der Kurve 41 gewonnen.
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Das verwendete Kupferrohr hat einen inneren Radius Rt von 14,9 mm
und einen äußeren Radius Ra von 16,5 mm. Die Meßspule hat eine Windungszahl von
n = 1000, einen inneren Radius rs von 7 mm und einen äußeren Radius ra von 10 mm.
Die Leitfähigkeit des Kupferrohres beträgt = 5,8 105 (2;1-lcm-1) Der Bruchteil q
des Magnetflusses, der die Meßspule durchsetzt, beträgt q=0,33 und die mittlere
Radialkomponente des Magnetfeldes 23l = =200 Gauß.
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In F i g. 5 ist eine Anordnung der Vorrichtung gemäß der Erfindung
zur dynamischen Kraftmessung schematisch dargestellt. Mit 51 sind zwei Feldspulen
zum Erzeugen eines magnetischen Gleich- oder Wechselhilfsfeldes, mit 52 ein Isolierrohr,
mit 53 die Meßspule, mit 54 ein Anzeigegerät, an das bei 55 die Meßspule angeschlossen
ist, mit 56 ein Kupferrohr, mit 57 eine Feder, mit 58 eine Auslösevorrichtung und
mit 59 ein Gewicht bezeichnet.
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Die Anordnung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, dient gleichzeitig
zur Eichung der Vorrichtung gemäß der Erfindung als Kraftmesser. Die Feder 57 wird
durch ein bekanntes Gewicht 59 gespannt. Dadurch ist die Federkraft, die das Rohr
bewegt, im
Moment der Auslösung bekannt. Die am Anzeige gerät, das z. B. ein Oszillograph
sein kann, angezeigte Spannung kann mit der aus den Daten der Apparatur errechneten
verglichen werden. Bei bekannter Masse des Kupferrohres ist es also möglich, die
wirkende Kraft zu messen. Mit dieser Vorrichtung sind Kräfte bis herab zu 25 Pond
gut meßbar.