DE1198574B - Mechanical-electrical transducer for rotary movements, especially for torsiographs - Google Patents

Description

Mechanischelektrischer Meßwertumformer für Drehbewegungen, insbesondere für Torsiographen Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanischelektrischen Meßwertumformer für Drehbewegungen, insbesondere für Torsiographen, bei dem eine Drehverschiebung in eine Selbstinduktionsänderung umgeformt wird und der Umformer mindestens einen Kern, mindestens eine Spule sowie eine träge Masse aufweist, wobei der eine Teil des Umformers am Wellenzug, der andere Teil an der trägen Masse befestigt und ferner der Kern als Ringsegment ausgebildet ist.Mechanical-electrical transducer for rotary movements, in particular for torsiographs The invention relates to a mechanical-electrical transducer for rotary movements, especially for torsiographs, in which a rotary displacement is converted into a self-induction change and the converter at least one Has core, at least one coil and an inertial mass, one part of the converter on the wave train, the other part attached to the inertial mass and further the core is designed as a ring segment.

Bei bekannten induktiven mechanisch-elektrischen Umformern verwendet man meistens zylindrische, sogenannte Tauchspulen und zylindrische Kerne, die axial gegeneinander hin- und herbewegt werden. Da im allgemeinen ein möglichst linearer Zusammenhang zwischen mechanischer Verschiebung und Änderung der Selbstinduktion gewünscht wird, müssen die Spulen und Kerne beträchtlich länger als der in Frage kommende Verschiebungsweg des Kernes gebaut werden. Die Kerne der erwähnten bekannten Umformer werden dadurch schlank und lang und, da sie nur an den Enden befestigt werden können, dementsprechend empfindlich gegenüber Erschütterungen. Mechanische Vibrationen werden meistens auch als Veränderungen der Selbstinduktion registriert, was eine sehr unerwünschte Störung der Torsionsschwingungsmessung bedeutet. Used in known inductive mechanical-electrical converters one mostly cylindrical, so-called plunger coils and cylindrical cores, which are axial are moved back and forth against each other. As generally as linear as possible Relationship between mechanical displacement and change in self-induction if desired, the coils and cores must be considerably longer than the one in question upcoming displacement path of the core to be built. The kernels of the mentioned known This makes converters slim and long, and because they are only attached at the ends can become, accordingly sensitive to vibrations. Mechanical Vibrations are usually registered as changes in self-induction, which means a very undesirable disturbance of the torsional vibration measurement.

Bei derartig bekannten Meßwertumformern taucht der Kern in das Innere des Spulenkörpers ein und ist in diesem nur um einen verhältnismäßig kleinen Winkelsektor verschwenkbar. Die linearen Anzeigebereiche erstrecken sich daher nur über einen kleinen Winkelbereich. Außerdem schneiden sich bei den bekannten Meßvorrichtungen die Winkelebenen der Spule in der Drehachse des Kernes. In such known transducers, the core dips into the interior of the bobbin and is in this only by a relatively small angular sector pivotable. The linear display areas therefore only extend over one small angular range. In addition, the known measuring devices intersect the angular planes of the coil in the axis of rotation of the core.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertumformer für Drehbewegungen zu schaffen, der diese Nachteile überwindet und durch eine geeignete geometrische Anordnung von Kern und Spule eine Verbesserung des Meßergebnisses dadurch bewirkt, daß unerwünschte Störungen vermieden und der Meßbereich erweitert wird. The invention is based on the object of a transducer for To create rotary movements that overcomes these disadvantages and through a suitable geometric arrangement of core and coil an improvement of the measurement result has the effect that undesired interference is avoided and the measuring range is expanded.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Ebene, in der sich der Kern dreht, wenigstens annähernd parallel zu der Ebene liegt, in der sich die Windungen der Spuleqbefinden. This task is essentially achieved in that the plane in which the core rotates, lies at least approximately parallel to the plane in where the turns of the coil are located.

Durch diese Maßnahme werden wesentliche Vorteile erzielt, da durch die Verwendung von Flachspulen größere Winkelsektoren überstrichen werden können und damit konstruktiv die Möglichkeit gegeben ist, eine sehr gute Linearität über einen weiten Ausschlagbereich zu erhalten. Mit den erfinde- rischen Maßnahmen erreicht man außerdem verhältnismäßig große Induktionsänderungen, wie sie mit den herkömmlichen Anzeigegeräten nicht zu erzielen sind. Auch läßt sich damit die Empfindlichkeit des Meßgerätes erheblich steigern Die Drehschwingungen äußern sich bei einer solchen Anordnung gemäß der Erfindung als eine periodische Drehverschiebung des Wellenteils gegenüber der trägen Masse. Diese mechanische Größe wird dann nach der induktiven Methode in einen elektrischen Wert umgeformt, und erst dieser wird mit Hilfe geeigneter Meßgeräte gemessen. Die Drehverschiebung verändert die Lage eines magnetisch permeablen, an der trägen Masse befestigten Kernes gegenüber der am Wellenteil befestigten Spule. Dadurch kommt eine Veränderung der Selbstinduktion der Spulen zustande, die zweckmäßigerweise mit einer elektrischen Brückenmethode gemessen wird. Through this measure, significant advantages are achieved, as through the use of flat coils allows larger angular sectors to be swept over and thus structurally the possibility is given to have a very good linearity to obtain a wide range of deflection. With the invented ric measures achieved you also have relatively large induction changes, as with the conventional Display devices are not achievable. It can also be used to reduce the sensitivity of the measuring device increase considerably. The torsional vibrations express themselves in such a Arrangement according to the invention as a periodic rotational displacement of the shaft part compared to the inertial mass. This mechanical quantity is then after the inductive Method converted into an electrical value, and only this becomes more suitable with the help of Measuring devices measured. The rotational shift changes the position of a magnetically permeable, at the inertial mass attached core opposite to the coil attached to the shaft part. This results in a change in the self-induction of the coils, which is expedient is measured using an electrical bridge method.

Durch eine Drehbewegung wird der von den Wicklungen umschlossene Raum zu- oder abnehmend mit permeabler Substanz gefüllt. Was eine Veränderung der Selbstinduktion mit sich bringt, die sehr genau proportional dem Drehwinkel verläuft. A rotary movement makes the one enclosed by the windings Increasing or decreasing space filled with permeable substance. What a Change in self-induction brings with it that is very precisely proportional to the Rotation angle runs.

Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß die Windungen der Spulen Zonen von Kreissegmenten umschließen und daß zur Erreichung hoher Empfindlichkeit der Kern sich innerhalb der kreissegmentförmigen Wicklungsstränge der Spulen befindet. Auch ist vorgesehen, daß der Kern aus einem Halbring von wenigstens annähernd 180 Bogenwinkel besteht. Further features of the invention are that the turns of the coils enclose zones of circular segments and that to achieve high sensitivity the core is located within the circular segment-shaped winding strands of the coils. It is also provided that the core consists of a half-ring of at least approximately 180 There is an arc angle.

Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt F 1 g. 1 den Meßwertumformer des ersten Ausführungsbeispiels im Längsschnitt sowie das daran anschließende elektrische Meßschema, F 1 g. 2 ein Induktionswicklungspaar (Spulenpaar), in Ansicht sowie den dazugehörigen Kern im Schnitt nach der Schnittlinie II-II der F i g. 3, F i g. 3 das Spulenpaar im Aufriß, Fig. 4 den Meßwertumformer des zweiten Ausführungsbeispieles im Längsschnitt nach der Schnittlinie IV-IV der Fig. 5, F i g. 5 denselben im Querschnitt nach der Schnittlinie V-V der Fig. 4. An example embodiment of the invention is shown in the drawing shown. It shows F 1 g. 1 the transducer of the first embodiment in longitudinal section and the subsequent electrical measurement scheme, F 1 g. 2 a Induction winding pair (coil pair), in view and the associated core in Section along the section line II-II in FIG. 3, fig. 3 the pair of bobbins in elevation, Fig. 4 shows the transducer of the second embodiment in a longitudinal section according to the section line IV-IV of FIG. 5, F i g. 5 the same in cross section along the cutting line V-V of Fig. 4.

Der auf Torsionsschwingungen zu prüfende Gegenstand, wie z. B. eine Kurbelwelle, wird mittels der Oberwurfmutter 1 mit der Welle 2 starr gekuppelt, während die träge Masse 3 frei drehbar auf der Welle 2 gelagert ist. Auf der Welle 2 ist sodann das Spulengehäuse4 fest aufgesetzt. Es ist mit der trägen Masse 3 drehfedernd verbunden; hierzu ragt der am Spulengehäuse sitzende Stift 5 in eine Anfräsung 6 der Masse 3 hinein und ist hier in tangentia-1er Richtung nach beiden Seiten durch eine weiche Feder 7 mit dieser verbunden. In dieser Weise macht der starre Teil alle Bewegungen der Kurbelwelle und somit nebst der mehr oder weniger gleichförmigen Drehbewegung auch alle Torsionsschwingungen mit, während der träge Teil 3 nur lose mitgeführt und hiezu eine Büchse 8 besitzt. Dieser macht somit nur die eigentliche Drehbewegung der Kurbelwelle mit, nicht aber deren Torsionsschwingungen. The object to be tested for torsional vibrations, such as Legs Crankshaft, is rigidly coupled to shaft 2 by means of the cap nut 1, while the inertial mass 3 is freely rotatable on the shaft 2. On the wave 2, the bobbin case 4 is then firmly attached. It is torsionally sprung with the inertial mass 3 tied together; For this purpose, the pin 5 seated on the coil housing protrudes into a milled recess 6 the mass 3 and is here in the tangentia-1er direction to both sides a soft spring 7 connected to this. In this way does the rigid part all movements of the crankshaft and thus in addition to the more or less uniform ones Rotary movement also includes all torsional vibrations, while the sluggish part 3 only loosely carried along and has a can 8 for this purpose. This only makes the actual one Rotational movement of the crankshaft, but not its torsional vibrations.

Die Relativverschiebungen der beiden Teile des Schwingungssystems werden zunächst in eine elektrische Größe umgewandelt, und zwar als Veränderung der Selbstinduktion einer Spule. Die Spulen sind als Flachspulen 10 ausgebildet und umschlingen die Zone eines Halbkreissegmentes. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind je zwei Spulen 10 paarweise angeordnet. Sie werden in die eingefrästen Kanäle 11, 12 des Spulenkörpers 13 gelegt und in diesen mit einer härtbaren Masse eingegossen. Die Windungen des Spulenpaars sind dadurch vollkommen festgehalten und können keine freien Vibrationen ausführen. The relative displacements of the two parts of the oscillation system are first converted into an electrical quantity, namely as a change the self-induction of a coil. The coils are designed as flat coils 10 and wrap around the zone of a semicircle segment. As can be seen from Fig. 2, are two coils 10 each arranged in pairs. They are inserted into the milled channels 11, 12 of the bobbin 13 placed and poured into this with a hardenable mass. The turns of the coil pair are completely retained and cannot do any perform free vibrations.

Zwischen der Innenwand 14 des äußeren Spulenkanals 11 und der Außenwand 15 des inneren Spulenkanals 12 liegt ein weiterer Ringkanal 16. In diesem kann sich der kreisbogenförmige permeable Kern 17 frei drehen. Wie in Fig. 2 ersichtlich, bildet der Kern 17 einen Halbring von angenähert 1800 Bogenwinkel. Er besteht aus magnetisch hochpermeablem Material oder aus einem elektrischen Leiter und ist in die träge Masse 3 eingekittet. Der Kern 17, die Spulen 10 und die träge Masse 3 sind somit konzentrisch zueinander angeordnet. Ferner liegen die Ebenen, in der sich einerseits der Kern 17 dreht und in der sich anderseits die Windungen der Spule 10 befinden, wenigstens angenåhert parallel zueinander. wenigstens angenähert parallel 2-Beim Messen von Drehschwingungen spielt sich die Wirkungsweise des Meßgeräts etwa folgendermaßen ab: Wenn sich die träge Masse 3 gegenüber der Welle 2 dreht, schiebt sich der magnetische Kern 17 von der Seite her zwischen die Wicklungsstränge der Flachspule 10 und vergrößert damit die Selbstinduktion. In der Nullstellung ragt der Kern gemäß F i g. 2 etwa zur Hälfte in jede Spule hinein. Der Bereich, in dem die Veränderungen der Selbstinduktion annähernd linear verlaufen, beträgt dann etwa + 30°, welcher Wert im Vergleich zu bekannten Instrumenten als sehr hoch anzusprechen ist. Da der Kern 17 längs seiner ganzen Bogenlänge in der trägen Masse festgekittet ist, kann er praktisch keine freien Vibrationen ausführen und somit die Meßresultate nicht stören. Die Kernverschiebung vergrößert bei der einen Spule die Selbstinduktion und verkleinert diejenige der andern. Between the inner wall 14 of the outer coil duct 11 and the outer wall 15 of the inner coil channel 12 is another ring channel 16. In this can the circular arc-shaped permeable core 17 can rotate freely. As can be seen in Fig. 2, the core 17 forms a half-ring of approximately 1800 arc angles. It consists of magnetically highly permeable material or an electrical conductor and is in the inert mass 3 cemented. The core 17, the coils 10 and the inertial mass 3 are thus arranged concentrically to one another. Furthermore, there are the levels in which on the one hand the core 17 rotates and on the other hand the turns of the coil 10 are at least approximately parallel to each other. at least approximately parallel 2-When measuring torsional vibrations, the mode of operation of the measuring device plays out roughly as follows: When the inertial mass 3 rotates relative to the shaft 2, pushes the magnetic core 17 from the side between the winding strands of the Flat coil 10 and thus increases the self-induction. In the zero position protrudes the core according to FIG. 2 about halfway into each coil. The area in which the changes in self-induction are approximately linear, then amounts to approximately + 30 °, which value can be addressed as very high compared to known instruments is. Since the core 17 is cemented to the inert mass along its entire arc length is, it can practically not perform any free vibrations and thus the measurement results do not bother. The core displacement increases the self-induction in one coil and diminishes that of the others.

Die so auftretenden Selbstinduktionen werden durch Leitungen 19, 20, 21, die ins Innere des Rohres 22 verlegt sind, nach den Schleifringen 23 geleitet und über Bürsten24 mit einer Trägerfrequenz-Meßbrücke 25 verbunden. Das Rohr 22 ist über Faltenbälge 26 einesteils an die Welle 2 und andernteils an die Schleifringwelle angeschlossen. Auf diese Weise können sich Erschütterungen des Prüfkörpers ebenfalls nicht durch das Rohr nach den Schleifringen fortpflanzen. In der Meßbrücke 25 befinden sich zwei weitere Selbstinduktionen, die mit den beiden andern im Torsiographen befindlichen eine Meßbrücke mit induktiven Widerständen bilden, die auf Gleichgewicht arbeiten. Verschiebungen des Kerns stören das Gleichgewicht, und die eingetretene Störung kann dann z. B. auf einem Kathodenstrahl-Oszillographen 27 als Drehschwingungskurve sichtbar gemacht werden. Die Meßbrücke 25 gibt anderseits elektrische Spannungen ab, die den Drehausschlägen genau proportional sind, so daß die Torsionsschwingungen als Wechselspannungen erscheinen. Diese können dann in einem Schwingungsanalysator bequem analysiert werden. The self-inductions occurring in this way are through lines 19, 20, 21, which are laid inside the tube 22, passed to the slip rings 23 and connected to a carrier frequency measuring bridge 25 via brushes 24. The pipe 22 is via bellows 26 on the one hand to the shaft 2 and on the other hand to the slip ring shaft connected. In this way, vibrations of the test body can also occur do not propagate through the pipe to the slip rings. Located in the measuring bridge 25 two more self-inductions, those with the other two in the torsiograph located form a measuring bridge with inductive resistances, which on equilibrium work. Displacements of the nucleus disturb the equilibrium, and the one that has occurred Disturbance can then z. B. on a cathode ray oscilloscope 27 as a torsional vibration curve be made visible. The measuring bridge 25 on the other hand gives electrical voltages which are exactly proportional to the rotary deflections, so that the torsional vibrations appear as alternating voltages. These can then be used in a vibration analyzer can be conveniently analyzed.

Wie im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 und 5 gezeigt, könnte man auch vier Spulenelemente 10 und zwei Kerne 17 verwenden, anstatt die Flachspulen als Spulenpaar auszubilden. Dabei würden die Spulen über einen Kreissektorbereich von je etwa 900 reichen, und die Kernkörper würden ebenfalls nur einen Kreisbogen von 90" einnehmen und einander diametral gegenüberstehen. Diese vier Spulenelemente können direkt zu einer induktiven Meßbrücke zusammengeschaltet und die genannte Trägerfrequenz-Meßbrücke 25 könnte in diesem Fall weggelassen werden. Bei Gleichstromspeisung gilt: Die am Ausgang der Brücke erscheinende Spannung ist nicht dem Drehschwingungsausschlag selbst, sondern der Drehgeschwindigkeit, also dem Differential des Drehschwingungsausschlages proportional. Diese Vollbrückenmethode hat außerdem den Vorteil, daß die Ubertragungsfehler der Schleifringe weniger in Erscheinung treten als bei Anwendung der Halbbrückenmethode. Die Kontakte 24 sind bei diesem Ausführungsbeispiel ins Innere verlegt. As in the second embodiment according to FIG. 4 and 5 shown, one could also use four coil elements 10 and two cores 17 instead of the Train flat coils as a pair of coils. The coils would cover a sector of a circle of about 900 each, and the core bodies would also only form an arc of a circle of 90 "and diametrically opposed to each other. These four coil elements can be connected together directly to form an inductive measuring bridge and the above Carrier frequency measuring bridge 25 could be omitted in this case. With direct current supply The following applies: The voltage appearing at the output of the bridge is not the torsional oscillation deflection itself, but the speed of rotation, i.e. the differential of the torsional oscillation deflection proportional. This full bridge method also has the advantage that the transmission errors the slip rings appear less than when using the half-bridge method. In this exemplary embodiment, the contacts 24 are laid inside.

Um die Empfindlichkeit des Meßwertumformers zu steigern, kann der Querschnitt der Spulenkörper 13 E-förmig ausgebildet werden, wobei das mittlere Stück des E zwischen die Wicklungsstränge der Spule zu liegen kommt. Auf ähnliche Weise läßt sich die Empfindlichkeit durch eine U-Form steigern, wobei der eine Schenkel zwischen die Wicklungsstränge zu liegen kommt. Es ist naheliegend, auch den Kern U- oder E-förmig auszubilden. Hierbei bewegt sich dieser mit geringem Luftspalt über den magnetisch permeablen Unterlagen und dem Spulenkörper. To increase the sensitivity of the transducer, the Cross-section of the coil form 13 E-shaped, with the middle piece of the E comes to lie between the winding strands of the coil. In a similar way the sensitivity can be increased by a U-shape, with one leg comes to lie between the winding strands. It is obvious, including the core U-shaped or E-shaped. This moves with a small air gap over the magnetically permeable pads and the bobbin.

Claims (4)

Patentansprüche: 1. Mechanisch-elektrischer Meßwertumformer für Drehbewegungen, insbesondere für Torsiographen, bei dem eine Drehverschiebung in eine Selbstinduktionsänderung umgeformt wird und der Umformer mindestens einen Kern, mindestens eine Spule sowie eine träge Masse aufweist, wobei der eine Teil des Umformers am Wellenzug, der andere Teil an der trägen Masse befestigt und ferner der Kern als Ringsegment ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene, in der sich der Kern (17) dreht, wenigstens angenähert parallel zu der Ebene liegt, in der sich die Windungen der Spule (10) befinden. Claims: 1. Mechanical-electrical transducer for rotary movements, especially for torsiographs, in which a rotational displacement results in a change in self-induction is formed and the converter has at least one core, at least one coil as well has an inertial mass, one part of the converter on the wave train, the other Part attached to the inertial mass and furthermore the core is designed as a ring segment is, characterized in that the The plane in which the core (17) rotates, at least is approximately parallel to the plane in which the turns of the coil (10) are located. 2. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Spulen (10) Zonen von Kreissegmenten umschlingen. 2. Measuring transducer according to claim 1, characterized in that the Windings of the coils (10) wrap around zones of circular segments. 3. Meßwertumformer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung hoher Empfindlichkeit der Kern (17) sich innerhalb der kreissegmentförmigen Wicklungsgestränge der Spulen (10) befindet. 3. Measurement transducer according to claims 1 and 2, characterized in that that to achieve high sensitivity, the core (17) is within the circular segment-shaped Winding strand of the coils (10) is located. 4. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (17) aus einem Halbring von wenigstens angenähert 1800 Bogenwinkel besteht. 4. Measuring transducer according to claim 1, characterized in that the Core (17) consists of a half-ring of at least approximately 1800 arc angles. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschriften Nr. 316193, 319 853, 338619. Publications considered: Swiss patents No. 316193, 319 853, 338619.