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Gerät zur Messung von Drehgeschwindigkeiten und Drehschwingungen Zur
Erzeugung einer drehproportionalen Spannung konstanter Frequenz sind sogenannte
Tachometer-Generatoren bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus einem rotationssymmetrischen
Metallteil, das sich im Luftspalt feststehender Spulen drehen kann. Einige dieser
Spulen, die sogenannten Erregerspulen, werden mit einer Wechselspannung konstanter
Amplitude und konstanter Frequenz gespeist und erzeugen in dem Metallteil Wirbelströme.
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Bei einer Drehung des Metallteiles werden diese Wirbelströme teilweise
mitgerissen und erzeugen dabei in den anderen Spulen, den sogenannten Empfangsspulen,
Wechselspannungen, die proportional der Drehzahl des Metallteiles sind.
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Bei einer der bekannten Ausführungen von Tachometer-Generatoren besteht
das rotierende Metallteil aus einem becherförmigen Rotor, den das Magnetfeld der
Erregerspulen radial durchsetzt. Diese Ausführung besitzt drei wesentliche Nachteile:
Der becherförmige Rotor ist nur mit sehr großem Aufwand so genau zu bearbeiten,
daß keine störende Umdrehungsmodulation auftritt; die weichmagnetischen Teile zur
Führung des Magnetfeldes haben eine sehr komplizierte, nur schwer herstellbare Form;
die meist rechteckig geformten Spulen sind schwierig herzustellen und schwer zu
montieren.
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Bei einer anderen bekannten Ausführung besteht das rotierende Metallteil
aus einer Scheibe, die durch den Luftspalt einer einzigen Erregerspule läuft. Symmetrisch
zu dieser Erregerspule sind zwei Empfängerspulen angeordnet. Die weichmagnetischen
Teile zur Führung des Magnetfeldes sind ebenso wie die Spulen selbst außerhalb des
größten Durchmessers der Scheibe angeordnet. Auch diese Ausführung hat verschiedene
Nachteile: Die Wirbelströme verlaufen im wesentlichen nur in einem kleinen begrenzten
Teil der Scheibe, was bei kleinen Unregelmäßigkeiten in der Herstellung der Scheibe
eine beträchtliche Umdrehungsmodulation zur Folge hat; durch die ungünstige Führung
des Magnetfeldes ist das Volumen dieser Ausführung besonders groß; in den zwei Empfängerspulen
werden bereits bei Stillstand der Scheibe so beträchtliche Spannungen induziert,
daß sie gegeneinander geschaltet werden müssen, was bei kleinen ungewollten Veränderungen
in den Daten der Spulen einen instabilen Nullpunkt bedingt.
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Bei einer weiteren bekannten Ausführung wird ebenfalls eine rotierende
Scheibe verwendet. Die Erregerspule ist auf einer Seite der Scheibe angeordnet.
Ihr Magnetfeld durchsetzt die Scheibe nur sehr wenig, da auf der anderen Seite der
Scheibe keine
weichmagnetischen Leitstücke angeordnet sind. Dies bedeutet, daß die
Empfindlichkeit dieser Ausführung besonders klein ist. Weiter verlaufen auch hier
die Wirbelströme nur in einem kleinen begrenzten Teil der Scheibe, was eine beträchtliche
Umdrehungsmodulation zur Folge hat. Auch hier ist das Bauvolumen sehr groß, da nur
ein kleiner Teil der Scheibe jeweils genutzt wird. Schließlich bedeuten schon kleinste
Verschiebungen der Erreger- und Empfangsspulen gegeneinander beträchtliche Nullpunktsfehler,
da die Pole der Empfangsspulen sich praktisch zwischen den Polen der Erregerspulen
befinden.
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Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung von Drehgeschwindigkeiten
und Drehschwingungen und geht von einem Gerät aus, bei dem eine nichtmagnetisierbare,
elektrisch leitende, zylindrische Maßscheibe im Luftspalt von Erreger- und Aufnahmespulen
rotiert.
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Es sollen die Nachteile der oben erläuterten Ausführungen vermieden
werden. Insbesondere wird eine Verbesserung der Drehzahlproportionalität der abgegebenen
Spannung, d. h. eine Verkleinerung der Umdrehungsmodulation, eine Verbesserung der
Nullpunktkonstanz und eine Verkleinerung der Empfindlichkeit gegen magnetische Störfelder
mit einfacheren Mitteln als bei den bekannten Geräten erreicht. Weiter wird die
obere Grenzfrequenz erhöht und schließlich ist die Herstellung des Gerätes besonders
einfach.
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Die Erfindung ist darin zu sehen, daß das Gerät zwei Erregerspulen
und zwei Empfangs spulen besitzt, die parallel zur Drehachse der Meßscheibe auf
einer Seite der Meßscheibe angeordnet sind und daß ihr Magnetfeld einerseits durch
eine weichmagnetische Scheibe und andererseits durch einen weichmagnetischen Ring
geführt wird, wobei Scheibe und
Ring durch nichtmagnetisierbare
Stützringe magnetisch vom Gehäuse getrennt sind.
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In F i g. 1 ist eine etwas vereinfachte Ausführung des Gerätes dargestellt.
In einem Gehäuse 1 ist mittels der Kugellager 2 und 3 eine Welle 4 drehbar gelagert.
Der Außenring des Kugellagers 2 stützt sich am Gehäuse 1 ab, der Innenring an einem
Bund der Welle 4. Der Kraftschluß zum Kugellager 3 erfolgt über den Zylinder 5.
Der Innenring des Kugellagers 3 ist relativ zur Welle 4 durch den Paßring 6 und
den Federring 7 gehalten. Der Außenring des Kugellagers 3 ist im Schiebesitz im
Gehäuse 1 eingepaßt. Über den Druckring 8, der ebenfalls im Schiebesitz eingepaßt
ist, und die Tellerfedern 9 und 10 wird auf ihn mittels der Schraubkappe 11 eine
einstellbare Kraft ausgeübt. Man erreicht so ein sehr geringes Spiel der Kugellager
2 und 3, was zur Erzielung einer geringen Umdrehungsmodulation erforderlich ist.
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An der Stirnseite der Welle 4 ist die Meßscheibe 12 befestigt. Es
ist zwar möglich, die Meßscheibe zusammen mit der Welle 4 aus einem Stück herzustellen,
doch hat sich gezeigt, daß die Rotationssymmetrie, die man bei dieser Herstellungsart
erzielen kann, nicht ausreicht, um in jedem Fall eine genügend geringe Umdrehungsmodulation
zu erzielen. Eine solche Umdrehungsmodulation kommt dadurch zustande, daß die in
der Meßscheibe 12 auftretenden Wirbelströme unsymmetrisch verlaufen, wenn die Meßscheibe
12 und/oder die Welle 4 nicht exakt rotationssymmetrisch hergestellt sind.
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In der dargestellten Ausführung kann die Meßscheibe 12, wenn die
gewünschten Eigenschaften des Gerätes es erfordern, nach Art der Endmaße sehr genau
planparallel geschliffen und dann geläppt werden. Anschließend wird sie auf die
Stirnseite der Welle 4 aufgeklebt. Hierbei ist es wesentlich, daß sich zwischen
der Meßscheibe 12 und der Welle 4 eine isolierende Schicht 13 befindet; sie verhindert
einen undefinierten Kontakt zwischen Meßscheibe 12 und Welle 4, der infolge seiner
undefinierten Lage die Symmetrie der Wirbelströme in der Meßscheibe 12 beeinflussen
und somit eine erhebliche Umdrehungsmodulation hervorrufen würde.
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- Die isolierende Schicht 13 kann auch allein aus einer Klebstoffschicht
bestehen, sofern durch diese Schicht ein metallischer Kontakt verhindert wird.
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Die Meßscheibe 12 wird vorzugsweise aus nichtmagnetischem Widerstandsmaterial
mit geringem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes gefertigt. Man
erreicht dadurch bei Temperaturänderungen praktisch konstanten ohmschen Widerstand
der Meßscheibe 12 und somit konstante Wirbelströme. Wesentlich ist weiter, daß die
Meßscheibe 12, wenn sie aus Widerstandsmaterial gefertigt ist, ziemlich dick gemacht
werden kann, ohne daß die Frequenz der Wirbelströme absinkt, bei der die größte
Empfindlichkeit des Gerätes liegt. Dies bedeutet aber, daß absolute Dickenschwankungen
der Meßscheibe 12 im Gegensatz zu einer dünnen Scheibe relativ nur wenig als Umdrehungsmodulation
wirksam werden. Auch die Welle 4 wird vorzugsweise aus Widerstandsmaterial gefertigt,
weil sich dann in ihr eventuell störende Wirbelströme nur schwach ausbilden können.
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Mit ihren Achsen parallel zur Achse der Welle 4 sind die Erregerspulen
14 und 15 angeordnet. Sie werden mit einer Wechselspannung kostanter Am-
plitude
und Frequenz gespeist. Ihr Magnetfeld verläuft durch den Kern 16, die runde weichmagnetische
Scheibe 17, den Kern 18, durch die Meßscheibe 12, den weichmagnetischen Ring 19,
die Meßscheibe 12 und wieder zurück in den Kern 16. Die Erregerspulen 14 und 15
sind so hintereinander oder parallel geschaltet, daß sich ihr gemeinsames Magnetfeld
verstärkt. Durch die nichtmagnetischen und möglichst elektrisch schlecht leitenden
Stützringe 20 und 21 werden die magnetischen Teile in ihrer Lage gehalten. Das Gehäuse
wird mittels des Deckels 22 verschlossen.
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Um 900 zu den Erregerspulen 14 und 15 versetzt befinden sich die
Empfangsspulen 23 und 24 mit ihren Kernen 25 und 26. Ihr Magnetfeld verläuft entsprechend
dem der Erregerspulen 14 und 15, jedoch um 900 versetzt. - Die Anschlußkabel für
alle Spulen werden zur Steckdose 28 geführt.
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Neben dem Kugellager 2 ist ein nach innen gezogener Ring 27 aus weichmagnetischem
Material angeordnet, der mit dem Gehäuse 1 aus dem gleichen Stück gefertigt werden
kann. Er schirmt die Empfangsspulen 23 und 24 gegen magnetische Störungen ab, die
durch die umlaufenden stählernen Kugeln oder den umlaufenden stählernen Kugelkäfig
des Kugellagers 2 entstehen könnten. Genügt diese Abschirmung nicht, können die
Kugellager 2 und 3 aus nichtmagnetischem Material bestehen.
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Der elektrische Kontakt zwischen der Welle 4 und dem Gehäusel ist
undefiniert, da die Kugellager 2 und 3 undefinierte Übergangswiderstände besitzen.
Es können deshalb durch die Welle 4 und die Meßscheibe 12 kapazitive Störungen auf
die Erregerspulen 14 und 15 und'oder die Empfangsspulen 23 und 24 ausgeübt werden;
sie sind deshalb auf ihrer der Meßscheibe 12 zugekehrten Seite elektrisch abgeschirmt,
vorzugsweise durch eine Kupferfolie, die zur Vermeidung von Wirbelströmen in bekannter
Weise streifenförmig gestaltet ist.
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Die Welle 4 kann mit einem anschraubbaren Flansch 29 versehen werden,
um das Gerät z. B. an die Stirnseite einer rotierenden Welle anschrauben zu können.
Der Flansch 29 kann bei Bedarf entfernt und z. B. durch eine drehsteife Kupplung
ersetzt werden.
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Die beschriebene Konstruktion hat außer den bereits beschriebenen
Vorteilen noch weitere Vorzüge. So lassen sich z. B. alle magnetischen Teile im
Gegensatz zu bekannten Geräten sehr einfach herstellen, da sie ausschließlich als
Voll- oder Hohlzylinder ausgebildet sind. Ebenso ist die Herstellung der zylindrischen
Spulen besonders einfach.
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Besondere Vorteile erhält man durch die Anordnung der Spulen: Sie
sind so angeordnet, daß magnetische Störfelder sowohl die Erregerspulen 14 und 15
als auch die Empfangsspulen23 und 24 gegensinnig durchsetzen, also keine Störspannungen
induzieren können. Es ist dies die gleiche Wirkung, die man mit den bekannten Ring-
oder U-Kernen erzielt. Diese Eigenschaft des Gerätes ist besonders wichtig, wenn
es zur Messung in starken magnetischen Störfeldern eingesetzt wird, z. B. zum Messen
des Anlaufvorganges von elektrischen Motoren. Die Störfreiheit wird noch weiter
erhöht, wenn man als Material für das Gehäuse 1 und den Deckel 22 weichmagnetisches
Eisen wählt. Als erheblicher Vorteil ist ferner anzusehen, daß alle Spulen so angeordnet
sind, daß bei gegebenem Volumen des Gerätes
die Pole der Erregerspulen
14 und 15 weitmöglichst von den Polen der Empfangsspulen 23 und 24 getrennt sind.
Dies bedeutet, daß ungewollte kleine Änderungen in der Lage der Empfangsspulen keine
Empfangsspannung zur Folge haben, mit anderen Worten, daß der Nullpunkt des Gerätes
sehr stabil und seine toleranzgerechte Einstellung einfach ist.
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Von ausschlaggebender Bedeutung ist ferner, daß es bei der Gestaltung
aller magnetischen Teile als Voll- oder Hohlzylinder möglich ist, für diese Teile
weichmagnetische Ferrite oder auch Hochfrequenzeisen zu verwenden; denn komplizierte
Formen, wie sie bei den bekannten Geräten mit becherförmigem Rotor verwendet werden
müssen, lassen sich mit diesen Materialien wegen ihrer Sprödigkeit kaum herstellen.
Die Verwendung von Ferriten oder ähnlichen Werkstoffen gestattet nun aber, die Frequenz
der Speisespannung für die Erregerspulen 14 und 15 sehr hoch zu wählen, z. B. viele
kHz; dies bedeutet einmal, daß auch sehr schnell verlaufende Anderungen in der Drehzahl
der Meßscheibe 12 verzerrungsfrei gemessen werden können, und zum anderen, daß die
Erregerspulen 14 und 15 und die Empfangsspulen 23 und 24 mit hoher Güte, also mit
kleinen Verlusten, ausgeführt werden können. Letzteres bedeutet insbesondere praktisch
konstanten Erregerstrom durch die Erregerspulen 14 und 15 -wenn die Erregerspannung
konstant gehalten wird -und deshalb konstante Empfindlichkeit des Gerätes, wenn
sich z. B. durch Temperaturänderungen der ohmsche Wicklungswiderstand der Erregerspulen
14 und 15 ändert. - Die hohe Frequenz der Speisespannung der Erregerspulen 14 und
15 hat ferner den Vorteil, daß Störungen durch niederfrequente Magnetfelder leicht
ausgefiltert werden können.
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Die Summe der durch die geschilderte neuartige Konstruktion des Gerätes
erzielbaren Vorzüge, also insbesondere geringe Umdrehungsmodulation, hohe Nullpunktkonstanz,
geringe Störanfälligkeit und hohe Grenzfrequenz, macht es möglich, das Gerät nicht
nur als Drehzahlmesser, sondern auch als Drehschwingungsmesser einzusetzen, da ja
jede schnelle Änderung der Drehzahl als Drehschwingung aufgefaßt werden kann. Der
für Drehschwingungsmessungen wesentliche Vorteil dieses Gerätes ist, daß es im Gegensatz
zu den bekannten Drehschwingungsmessem ohne Federn, Masse und Dämpfung auskommt,
und daß es keine Verschleißteile besitzt.