Elektrische Abstandsmesseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Abstandsmesseinrichtung an zwei gegeneinander bewegten Teilen, zum Messen von deren Abstand insbesondere für Gleitlager mit Hilfe einer kapazitiven Sonde, welche in den einen der beiden bewegten Teile eingebaut ist und die eine Belegung eines Kondensators bildet, wobei der andere Teil die andere Belegung darstellt.
Zur Abstandsmessung insbesondere in Gleitlagern zwischen der Lagerschale und der Welle verwendet man elektrische Messmethoden, die die Anderung der Kapazität bei Abstandsänderungen feststellen. Man kann hiermit die Spalthöhe zwischen Lagerschale und Welle messen (Schering und Vieweg, Zeitschrift für angewandte Chemie 1926, Seite 1114). Die Kapazitäts- änderungen kann man in Messbrücken feststellen oder man kann die Kapazität als Bestandteil eines Reso- nanzkreises ansehen, welcher eine bestimmte Frequenz in einem Oszillator erzeugt, wobei die Anderung der Kapazität dann eine Anderung der Frequenz bedingt.
Diese Messmethode wird als bekannt vorausgesetzt.
Die Schwierigkeit ist die Art und Weise, wie die Kapazität möglichst unabhängig von Temperatur und anderen Einflüssen zwischen Schale und Welle festgestellt wird. Hierfür müssen verschiedene Bedingungen gestellt werden. Das Feld zwischen den Belegungen des Kondensators muss homogen sein, die meist aus 01 bestehende Schmierschicht zwischen Schale und Welle muss eine möglichst gleiche dielektrische Konstante haben. Durch Temperaturänderungen darf sich die Messung nur dann beeinflussen lassen, wenn sich hierbei der tatsächliche Abstand zwischen Schale und Welle mitändert. Änderungen der Dielektrizitätskonstante durch die Temperatur und Anderungen der Länge, der Dicke der verwendeten Sonden für die Messeinrichtung dürfen keinen Einfluss auf die Messung ausüben.
Ausserdem muss die Messgenauigkeit sehr hoch sein, da die Abstände zwischen Lagerschale und Welle im allgemeinen sehr klein, meist unter 1/lao mm sind. Die Schale und die Welle selbst als Belegungen zu wählen geht nicht, da keine ausreichende Isolation zwischen ihnen liegt. Man muss daher besondere Sonden einführen, die von der Lagerschale isoliert sind. Hierzu verwendet man kleinere, isolierte Plättchen, die in die Lagerschale eingebaut werden (VDI Forschungsheft 352 aus dem Jahre 1932). Diese erfüllen aber noch nicht die erforderliche Genauigkeit.
Der Temperatureinfluss insbesondere auf die Ausdehnung der Plättchen ist wohl klein, weil die Plättchen selbst nicht gross sind, es isi aber dann auch die Kapazität sehr klein, so dass relativ die Genauigkeit dadurch stark beeinflusst wird. Der Temperatureinfluss auf die Dielektrizitätskonstante kann nicht ohne weiteres ausgeschaltet werden. Ausserdem sind die kleinen Plätt- chen den mechanischen Anforderungen nicht gewachsen und es muss darauf geachtet werden, dass diese Sonden genügend öldicht sir.
und kein 01 durch den Zuführungskanal für die elektrischen Zuleitungen aus der Lagerschale herausdringt. Man hat daher diese Sonden durch seitliche Schrauben fest angeschraubt und mit Kunstharz verkleidet (Dissertation von H. Knülle, TH Karlsrtihe 1962). Diese Sonden können nur mit grossem Aufwand ausgewechselt werden. Die Isolation ist dort nur mit Rücksicht auf den Tempera tureirfluss, auf die Zähigkeit des Materiales und nicht darauf abgestellt gewesen, dass die Messung unabhän- gig von den verschiedenen Temperaturen des Lagers durchgeführt werden muss.
Bisher ist die Aufgabe dar völligen Temperatur- unabhängigkei° nicht gelöst worden und daher sind bei allen bisher verwendeten Systemen entweder Korrek turkurven erforderlich. die eine betriebsmässige Messung erschweren, oder überhaupt keine genügende Temperaturunabhängigkeit gewährleistet. Betriebsmäs- sig wird ebenfalls eine gute Auswechselbarkeit und eine stabile Ausführung verlangt.
Diese Aufgabe soll mit der Erfindung erfüllt werden. Erfindungsgemäss wird daher bei einer Messeinrichtung der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, dass die Sonde aus einer Platte als Belegung, einem in diese eingeschraubten, mit Isoliermaterial umgebenen Metallstift als Zuleitung, einer zwischen dieser Platte und dem einen der gegeneinander bewegten Teile liegenden Glasplatte besteht und dass das Material der Belegungsplatte einen grösseren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als der genannte eine Teil und dass die Dicken der Glasplatte und der Belegungsplatte so aufeinander abgestimmt sind,
dass die Kapazität durch die Wärmeausdehnung des genannten einen Teils und der Belegungsplatte und durch alle temperaturbedingte Anderung der Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums zwischen der Belegungsplatte und dem anderen der beiden gegeneinanderbewegten Teile praktisch nicht beeinflusst wird.
Die Verwendung von Glas als Isolierplatte zwischen dem einen Teil, der als Lagerschale ausgebildet sein kann und der Belegungsplatte hat den grossen Vorteil, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient bei Glas ausserordentlich klein ist (0,5.10-s [1/ C], so dass er praktisch vernachlässigt werden kann. Die Be legungsplatte selbst macht man dann aus beispielsweise Aluminium, das einen grösseren und zwar angenähert doppelt so grossen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt wie der beispieisweise als Lagerschale aus Stahl (23,8.10-6 gegenüber 11. 10-6) ausgebildete Teil.
Dies er- möglicht, die gleiche Wärmeausdehnung zu erhalten, wenn man die Dicke der Aluminiumplatte etwa halb so gross macht wie die Stahldicke, die der Summe der Dicken von Glasplatte und Belegungsplatte etwa entspricht. Die Glasplatte muss in diesem Falle auch etwa die gleiche Dicke wie die Belegungsplatte haben. Auch andere Materiialien, dXie ähnliche Bedingungen erfüllen, können hierbei verwendet werden.
Die Kapazität der Sonde zwischen der Belegungsplatte und dem z. B. als Welle ausgebildeten anderen Teil ändert sich nun nicht nur durch den Abstand zwischen den beiden Teilen, sondern auch bei Anderungen der Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen beiden Belegungen, z. B. des ) les. Diese Änderung könnte man durch Korrekturkurven berücksichtigen, wobei aber die Temperatur selbst bekannt sein muss. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird sie kompensiert, indem man die Dicke der Belegungsplatte so wählt, dass sie sich etwas höher ausdehnt als das entsprechende Lagermaterial des als Lagerschale aus- gebildeten einen Teils.
Da die Dielektrizitätskonstante mit der Temperatur abnimmt, wird dann der Abstand etwas kleiner als der tatsächliche Abstand zwischen Lagerschale und Welle, so dass die Verkleinerung der Kapazität durch die veränderte Dielektrizitätskonstante wieder ausgeglichen wird. Bei der genauen Durchrechnung gilt dies genau nur für einen bestimmten Abstand von Lagerschale und Welle. Man legt daher der Bemessung einen mittleren Abstand zugrunde. Für Betriebsmessungen ist dies aber dann genau genug.
Die Fig. l und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die Messende und Fig. 2 die zugehörige Messschaltung.
Mit 1 ist eine Lagerschale angedeutet, die das Lager der Welle 2 bilden soll. Zweck der Messeinrichtung soll sein, den Abstand zwischen Lagerschale und Welle möglichst genau und unabhängig von der Temperatur zu messen. Zu diesem Zwecke besitzt die Schale eine offnung 3, in welche die Messonde eingeführt ist. Diese besteht aus der Belegungsplatte 4, welche aus Aluminium hergestellt ist. Sie ist durch die Glasplatte 5 vom Metall des Lagers elektrisch isoliert.
Eine Hülse 6 ist in die Lagerschale eingeschraubt und hält die Sonde in der Schale fest. Diese Hülse ist durch eine Glashülse 7 von dem Stift 8, der die elektrische Zuführung bildet, isoliert. Auf diesen Stift sind die Adern 10 der Zufüungslleitung 9 aufge. presst. 11 ist der Isoliennantel des Kabels.
Die Dicken der Glasplatte 5 und der Belegungsplatte 4 sind nun so aufeinander abgestimmt, dass die gesamte Ausdehnung etwa gleich der Ausdehnung des umgebenden Teiles der Lagerschale ist. Zu diesem Zwecke muss die Summe der Produkte aus Dicke und Ausdehnungskoeffizient von Glas-und Belegungsplatte gleich dem Produkt der Tiefe der Aussparung der Lagerschale und seines Ausdehnungskoeffizienten sein.
Da die Glasplatte sich praktisch nicht mit der Temperatur ausdehnt, so muss der Ausdehnungskoeffizient des Materials der Belegungsplatte umso grösser sein als der Ausdehnungskoeffizient der Lagerschale, wie die Dicke kleiner als die der Schale ist. Als Material hat sich hierfür Aluminium als günstig erwiesen, es kann aber auch Blei gewählt werden.
Um nun noch die Anderung der Dielektrizitätskon- stante mit der Temperatur berücksichtigen zu können, macht man die Dickenänderung zwischen Belegungs- platte und Lagerschale nicht genau gleich, sondern lässt die Belegungsplatte sich mehr ausdehnen als die Lagerschale. Die Dielektrizitätskonstante nimmt mit höher Temperatur ab, so dass dann die Kapazität kleiner werden würde. Dadurch aber, dass die Belegungsplatte sich stärker ausdehnt als die sie umgebende Lagerschale, wird diese Verkleinerung der Kapazität wieder durch Verkleinerung des Abstandes ausgeglichen.
Die Vertiefung, in welche die Glasplatte und die Belegungsplatte eingelegt sind, macht man zweckmässigerweise ein wenig grösser, als die Summe der Dicken beider Platten. Die Belegungsplatte liegt dann innerhalb der Vertiefung und kann unter keinen Umständen bei sehr kleinen Abständen die Welle als erste berüh- ren, auch wenn der Ausdehnungskoeffizient eine grössere Ausdehnung bewirkt als bei der umgebenden Lagerschale.
Um die Sonde gegen etwa austretendes 01 völlig dicht zu machen, wird das eingeführte Kabel 9 gegen über der Sondenwand mit Hilfe von Giessharz abgedichtet.
Die Verschraubung der Hülse in der Lagerschale und die Verschraubung des Stiftes mit der Belegungsplatte wird so getroffen, dass sie sich gegenseitig zusammenpressen und dadurch die Glasplatte fest in der Vertiefung halten.
Die Fig. 2 zeigt die an sich bekannte Schaltung des Gerätes. Die Sonde bildet einen Teil eines Resonanzkreises des Oszillators 12. In diesem ist also eine In duktivität zu denken, welche mit der Messkapazität zusammengeschaltet ist. Der Oszillator erzeugt mit Hilfe dieses Resonanzkreises eine Spannung mit der Resonanzfrequenz. Andert sich nun der Kapazitätswert der Sonde, so wird auch die Resonanzfrequenz geän- dert und es entsteht eine andere Frequenz. Mit Hilfe von Frequenz-Spannung-Umsetzern 13 wird nun die Frequenz in eine proportionale Spannung umgewandelt und mit dem Instrument 14 gemessen. Als solches Instrument kann auch die Schleife eines Oszillographen dienen. Gegebenenfalls müssen dann noch Verstärkungseinrichtungen dazwischengeschaltet werden.
Die Vorteile der Anordnung sind also, eine Messeinrichtung zu erhalten, die unabhängig von der Tem peratur den Abstand zwischen Lagerschale und Welle zu messen gestattet und weitgehend den Temperatureinfluss auf die Dielektrizitätskonstante berücksichtigt.
Dazu kommt, dass durch die starre Befestigung der Sonde in der Schale auch der Druckeinfluss praktisch verschwindet.
Electrical distance measuring device
The invention relates to an electrical distance measuring device on two mutually moving parts, for measuring their distance, in particular for slide bearings, with the aid of a capacitive probe which is built into one of the two moving parts and which forms one occupancy of a capacitor, the other part the other Represents occupancy.
To measure the distance, especially in plain bearings between the bearing shell and the shaft, electrical measurement methods are used that determine the change in capacitance when the distance changes. This can be used to measure the height of the gap between the bearing shell and the shaft (Schering and Vieweg, Zeitschrift für angewandte Chemie 1926, page 1114). The changes in capacitance can be determined in measuring bridges or the capacitance can be seen as part of a resonance circuit which generates a certain frequency in an oscillator, the change in capacitance then causing a change in frequency.
This measurement method is assumed to be known.
The difficulty is the way in which the capacitance is determined as independently as possible of temperature and other influences between shell and shaft. Various conditions must be set for this. The field between the layers of the capacitor must be homogeneous, the lubricating layer, which is mostly made of oil, between the shell and the shaft must have the same dielectric constant as possible. The measurement may only be influenced by temperature changes if the actual distance between the shell and the shaft also changes. Changes in the dielectric constant due to the temperature and changes in the length and thickness of the probes used for the measuring device must not have any influence on the measurement.
In addition, the measurement accuracy must be very high, since the distances between the bearing shell and the shaft are generally very small, usually less than 1/10 mm. It is not possible to choose the shell and the shaft itself as coverings because there is insufficient insulation between them. It is therefore necessary to introduce special probes that are isolated from the bearing shell. For this purpose, smaller, insulated plates are used which are built into the bearing shell (VDI research booklet 352 from 1932). However, these do not yet meet the required accuracy.
The temperature influence, in particular on the expansion of the platelets, is probably small because the platelets themselves are not large, but the capacitance is then also very small, so that the accuracy is relatively strongly influenced by it. The influence of temperature on the dielectric constant cannot be eliminated without further ado. In addition, the small platelets are not up to the mechanical requirements and it must be ensured that these probes are sufficiently oil-tight.
and no 01 escapes through the feed channel for the electrical leads from the bearing shell. These probes were therefore firmly screwed on with screws on the side and covered with synthetic resin (dissertation by H. Knülle, TH Karlsrtihe 1962). These probes can only be exchanged with great effort. The insulation there was only based on the temperature flow, the toughness of the material and not on the fact that the measurement had to be carried out independently of the different temperatures of the bearing.
So far, the task of complete temperature independence has not been achieved and therefore correction curves are required for all systems used so far. which make operational measurement more difficult, or which do not guarantee sufficient temperature independence at all. In terms of operation, good interchangeability and a stable design are also required.
This object is to be achieved with the invention. According to the invention, it is therefore proposed in a measuring device of the type mentioned that the probe consists of a plate as an occupancy, a metal pin screwed into it and surrounded by insulating material as a supply line, a glass plate lying between this plate and one of the parts moving against one another, The material of the cover plate has a greater coefficient of thermal expansion than the aforementioned one part and that the thicknesses of the glass plate and the cover plate are coordinated with one another,
that the capacitance is practically not influenced by the thermal expansion of said one part and the covering plate and by any temperature-related change in the dielectric constant of the dielectric between the covering plate and the other of the two mutually moving parts.
The use of glass as an insulating plate between the one part, which can be designed as a bearing shell, and the cover plate has the great advantage that the coefficient of thermal expansion for glass is extremely small (0.5.10-s [1 / C], so that it is practically neglected The covering plate itself is then made of, for example, aluminum, which has a larger and almost twice as large coefficient of thermal expansion as the part designed as a steel bearing shell (23, 8, 10-6 versus 11, 10-6).
This makes it possible to obtain the same thermal expansion if the thickness of the aluminum plate is made about half as large as the steel thickness, which roughly corresponds to the sum of the thicknesses of the glass plate and the cover plate. In this case, the glass plate must also have approximately the same thickness as the occupancy plate. Other materials that meet similar conditions can also be used here.
The capacity of the probe between the occupancy plate and the z. B. designed as a wave other part now changes not only through the distance between the two parts, but also when the dielectric constant of the medium changes between the two assignments, z. B. des) les. This change could be taken into account by means of correction curves, but the temperature itself must be known. In one embodiment of the invention, it is compensated for by choosing the thickness of the cover plate so that it expands somewhat higher than the corresponding bearing material of the part designed as a bearing shell.
Since the dielectric constant decreases with temperature, the distance is then slightly smaller than the actual distance between the bearing shell and the shaft, so that the reduction in capacitance is compensated for by the changed dielectric constant. With the exact calculation, this only applies to a certain distance between the bearing shell and the shaft. The design is therefore based on an average distance. However, this is then accurate enough for operational measurements.
Figs. 1 and 2 show an embodiment of the invention. FIG. 1 shows a section through the measuring end and FIG. 2 shows the associated measuring circuit.
1 with a bearing shell is indicated, which is intended to form the bearing of the shaft 2. The purpose of the measuring device should be to measure the distance between the bearing shell and the shaft as precisely as possible and independently of the temperature. For this purpose the shell has an opening 3 into which the measuring probe is inserted. This consists of the allocation plate 4, which is made of aluminum. It is electrically isolated from the metal of the bearing by the glass plate 5.
A sleeve 6 is screwed into the bearing shell and holds the probe firmly in the shell. This sleeve is isolated by a glass sleeve 7 from the pin 8, which forms the electrical supply. The cores 10 of the feed line 9 are attached to this pin. presses. 11 is the insulation jacket of the cable.
The thicknesses of the glass plate 5 and the covering plate 4 are now matched to one another in such a way that the total extent is approximately equal to the extent of the surrounding part of the bearing shell. For this purpose, the sum of the products of the thickness and the coefficient of expansion of the glass and cover plate must be equal to the product of the depth of the recess in the bearing shell and its coefficient of expansion.
Since the glass plate practically does not expand with temperature, the coefficient of expansion of the material of the cover plate must be greater than the coefficient of expansion of the bearing shell, just as the thickness is smaller than that of the shell. Aluminum has proven to be a favorable material for this, but lead can also be chosen.
In order to be able to take into account the change in the dielectric constant with temperature, the change in thickness between the covering plate and the bearing shell is not made exactly the same, but rather the covering plate is allowed to expand more than the bearing shell. The dielectric constant decreases with higher temperature, so that the capacitance would then decrease. However, because the occupancy plate expands more than the bearing shell surrounding it, this reduction in capacity is compensated for by reducing the distance.
The recess in which the glass plate and the occupancy plate are inserted is expediently made a little larger than the sum of the thicknesses of both plates. The allocation plate then lies within the recess and under no circumstances can it touch the shaft first at very small distances, even if the expansion coefficient causes a greater expansion than that of the surrounding bearing shell.
In order to make the probe completely impervious to any oil that may leak out, the inserted cable 9 is sealed off from the probe wall with the aid of casting resin.
The screw connection of the sleeve in the bearing shell and the screw connection of the pin to the occupancy plate are made in such a way that they press each other together and thereby hold the glass plate firmly in the recess.
Fig. 2 shows the known circuit of the device. The probe forms part of a resonance circuit of the oscillator 12. In this, an inductivity is to be thought that is connected to the measuring capacitance. With the help of this resonance circuit, the oscillator generates a voltage with the resonance frequency. If the capacitance value of the probe changes, the resonance frequency is also changed and a different frequency arises. With the aid of frequency-voltage converters 13, the frequency is then converted into a proportional voltage and measured with the instrument 14. The loop of an oscilloscope can also serve as such an instrument. If necessary, amplification devices must then be connected in between.
The advantages of the arrangement are therefore to obtain a measuring device that allows the distance between the bearing shell and the shaft to be measured independently of the temperature and largely takes into account the influence of temperature on the dielectric constant.
In addition, due to the rigid attachment of the probe in the shell, the influence of pressure practically disappears.