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Elektrodynamischer Kraftmesser.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrodynamischen Kraftmesser,
bei welchem mittels eines Stellungsfühlers ein Gleichgewichtszustand zwischen der
auf einen bewegten Aufnehmer wirkenden, zu messenden Kraft und einer Gegenkraft
feststellbar ist, weichletztere elektrodynamisch vermittels eines meßbaren elektrischen
Stromes erzeugbar ist.
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Allgemein bekannte Kraftmesser sind Druckmeßgeräte, bei welchen der
zu messende Druck auf eine in ihrer Größe bekannte Fläche einwirkt und die resultierende
Kraft ein elastisches Bauteil, wie eine Peder, eine Membran, einen Balgen oder dergleichen
formt. Der Verformungsweg steht in bestimmter funktioneller Abhängigkeit von der
einwirkenden Kraft und ist in vielen Fällen zu dieser proportional.
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Nachteilig ist bei den bekannten Druckmeßgeräten bzw. Kraftmessern
dieser
Art, daß die elastischen Eigenschaften des durch die Kraft verformten Bauteils temperaturabhängig
sind, so daß sich eine entsprechende Temperaturabhängigkeit des Meßergebnisses einstellt.
Auch kann die elastische Nachwirkung der elastisch verformten Bauteile zu Meßfehlern
führen.
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Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten hat man bereits Kompensations-Druckmeßsysteme
bzw. -Kraftmeßsysteme entwickelt, bei denen nicht etwa die durch eine Kraft verursachte
Verformung eines elastischen Bauteils als Wegmessung, sondern auf indirektem Wege
diejenige Kraft gemessen wird, welche der zu messenden Kraft das Gleichgewicht hält,
so daß keine Verschiebungen an einem Bauteil auftreten, auf das einerseits zu messende
Kraft und andererseits die reguliert erzeugbare Vergleichskraft einwirken. Die reguliert
erzeugbare Vergleichskraft wurde bekanntermaßen praktisch nach der Methode der Kontaktdruckkompensation
erzeugt, wobei eine von einem zu messenden Druck beaufschlagte Membran an einen
Aufnehmer angeschlossen war, welcher mit dem Kern eines Tauchspulensystems und mit
einem Kontaktsatz gekoppelt war, derart, daß eine verstärkte Druckbeaufschlagung
der Membran eine Erhöhung des Kontaktdruckes und damit eine erhöhten Stromfluß durch
die Spule des Tauchspulensystems bewirkte, wodurch wiederum eine erhöhte Gegenkraft
auf die Membran rückwirkte. Im Gleichgewichtszustand bildete der Stromfluß durch
die Spule des Tauchspulensystems ein Maß für den auf dei Membran einwirkenden, zu
messenden Druck.
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Anstelle des soeben erwähnten Kontaktsatzes konnte man selbstverständlich
dem Fachmann bekannte, kontaktlose Stellungsfühler einsetzen, doch ergab sich bei
der vorstehend beschriebenen bekannten Anordnung stets ein Fehler, insbesondere
im unteren Teil des Meßbereiches, aufgrund des nichtlinearen Verlaufes der Permeabilitätskennlinie
des ferromagnetischen Kernes des Tauchspulensystems, weshalb die bekannten Systeme
für die Messung niedriger Drücke oder niedriger Druckdifferenzen nicht geeignet
waren.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen elektrodynamischen
Kraftmesser der eingangs kurz beschriebenen Art so auszugestalten, daß er einen
sehr weiten linearen Meßbereich aufweist und auch geringe Kräfte bzw. geringe Kraftdifferenzen
genau zu messen vermag. Diese Forderungen sollen auch erfüllt werden können, wenn
die Messungen insgesamt auf einem hohen Druckniveau relativ zur Umgebung durchzuführen
sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit dem erwähnten
Aufnehmer eine Permanentmagnetanordnung verbunden ist, in deren Feld sich eine feststehend
angeordnete, den meßbaren elektrischen Strom führende Spule befindet.
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Die Kraftwirkung kommt also zwischen der Permanentmagnetanordnung
und der dieser zugeordneten, stromdruchflossenen Spule zustande. Aufgrund der Verwendung
eines Permanentmagneten zur Erzeugung des die Spule durchsetzenden, unveränderlichen
Magnetfeldes wird das Meßergebnis von einer Permeabititätskennlinie nicht beeinflußt.
Die Verbindung der Permanemtmagnetanordnung mit dem bewegbaren Aufnehmer ergibt
die Möglichkeit, die beweglichen Teile des Kraftmessers in ihrer Gesamtheit in ein
druckfesten Gehäuse einzuschließen, welches nicht von Stromdurchführungen oder dergleichen
durchdrungen wird, derart, daß eine explosionsgeschützte Ausführung des hier vorgeschlagenen
Kraftmessers keine Schwierigkeiten bereitet.
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Aus Vorstehendem erkennt man, daß eine Umkehrung der Anordnung derart,
daß die stromdurchflossene Spule mit dem bewegbaren Aufnehmer gekoppelt wird, während
die ihr zugeordnete Permanentmagnetanordnung feststehend montiert wird, nicht zweckmäßig
ist und nicht zu einer Lösung der zuvor genannten Aufgabe führt. Wenn auch zunächst
die mechanische Kopplung des vergleichsweise große Masse besitzenden Permanentmagneten
mit dem Aufnehmer für ein rasches Ansprechen desselben nachteilig erscheint und
die Verbindung der geringere Masse besitzenden
Spule mit dem Aufnehmer
eine bessere Lösung zu sein scheint, so ergibt sich, daß es auf die Masse der Einzelteile
auf der Seite des Aufnehmers bei dem hier vorgeschlagenen Kraftmesser nicht ankommt,
solange der Einfluß der Reibung bei den Einstellbewegungen gering gehalten oder
beseitigt werden kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des zuvor angegebenen
elektrodynamischen Kraftmessers sind im übrigen Gegenstand der anliegenden Ansprüche
2 bis 11, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht
wird, ohne den Wortlaut an dieser Stelle zu wiederholen.
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Nachfolgend werden Einzelheiten von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.
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Es stellen dar: Figur 1 eine schematische Abbildung eines elektrodynamischen
Kraftmessers herkömmlicher Bauart, Figur 2 eine teilweise im Schnitt und teilweise
als Blockschaltbild gezeichnete Ansicht eines Druckmessers der vorliegend angege
-benen Art, Figur 3 eine Schnitt-Teilansicht eines Druckmessers in einer gegenüber
Figur 2 abgewandelten Ausführungsform und Figur 4 eine nochmals andere Ausführungsform
eines Druckmessers in einer Schnitt-Teilansicht.
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Bei einem in Figur 1 gezeigten Druckmesser beauschlagt ein zu messender
Druck p eine Membrandose 1, welche von einer Membran 2 bekannter Fläche abgeschlossen
ist. Im Zentrum der Membran ist ein bewegbarer Aufnehmer 3 angeschlossen, welcher
an seinem von der Membran 2 abliegenden Ende einen Weicheisenkern 4 trägt und welcher
über eine mechanische Koppelverbindung einen Kontaktsatz 5 betätigt. Der Weicheisenkern
4 ist
von einer Spule 6 umgeben, welche über den Kontaktsatz 5 an
eine Gleichstromquelle 7 angeschlossen ist, derart, daß bei einem Stromfluß durch
die Spule 6 der Weicheisenkern 4 in Richtung auf die Membran 2 hingezogen wird.
Der Stromfluß durch die Spule 6 ist von dem Kontaktdruck am Kontaktsatz 5 abhängig,
welcher seinerseits von der durch den Druck P an der Membran 2 erzeugten Kraftwirkung
abhängig ist. Im Gleichgewichtszustand zwischen der durch den Druck P erzeugten
Kraftwirkung an der Membran 2 einerseits und der durch die stromdruchflossene Spule
6 auf den Weicheisenkern 4 ausgeübten Kraft andererseits bildet der am Meßinstrument
M angezeigte Strom ein Maß für die Größe des Druckes P, wobei es auf die elastischen
Eigenschaften der Membran 2 im wesentlichen nicht ankommt, da die Membran wegen
der Kompensation durch die elektrodynamisch erzeugte Kraft nicht ankommt. Es versteht
sich, daß die an die Spule 6 angeschlossene Schaltung in Figur 1 nur rein schematisch
angegeben ist, und selbstverständlich durch andere, an sich bekannte Regelschaltungen,
welche beispielsweise Brücken enthalten können, ersetzt werden kann.
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Die durch die veränderliche Permeabilität des Weicheisenkern eingeführte
Nichtlinearität der Messung wird bei dem Kraftmesser der vorliegend angegebenen
Art gemäß Figur 2 dadurch vermieden, daß mit dem Aufnehmer 3 eine Permanentmagnetanordnung
8 fest verbunden ist. Die Permanentmagnetanordnung wird bei dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 2 von zwei gleichen Querschnitt wie der Aufnehmer 3 besitzenden, zylindrischen
Permanentmagneten gebildet, welche mit bestimmten Abstand gegensinnig gepolt hintereinander
angeordnet Bund, derart, daß im Bereich des Abstandes zwischen den Permanentmagneten
ein intensives magnetisches Radialfeld auftritt. Im wesentlichen im Bereich dieses
Radialfeldes befindet sich die feststehend montierte Spule 6, welche von einem regelbaren
Gleichstrom durchflossen ist. Der Regler ist in Figur 2 mit 9 bezeichnet.
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Das von der Membran 2 abliegende Ende des Aufnehmers 3 liegt einem
Stellungsfühler 10 gegenüber, dessen Ausgangssignal über einen Verstärker 11 dem
Regler 9 als Fehlersignal eingegeben wird, um den von einer Stromquelle 12 bezogenen
Strom durch die Spule 6 so zu regulieren, daß die Kraftwirkung zwischen der Permanentmagnetanordnung
8 einerseits und der Spule 6 andererseits der Kraftwirkung aufgrund der Druckbeauschlagung
einer Druckmeßkammer 13 das Gleichgewicht hält. Im Gleichgewichtszustand bildet
wieder der an einem Meßgerät 14 angezeigte Stromfluß durch die Spule 6 ein Maß für
die durch den Druck Pl an der Membran 2 erzeugten Kraftwirkung.
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Befindet sich auf der von der Druckmeßkammer 13 abliegenden Seite
der Membran 2 eine Vergleichsdruckkammer 15, die, wie ebenfalls aus Figur 2 ersichtlich,
mit einem Vergleichsdruck P2 beaufschlagbar ist, so entspricht die Anzeige des MeBinstrumentes
14 der Druckdifferenz zwischen den Drücken P1 und P2.
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Die Druckkammern 13 und 15 und die Membran 2 befinden sich in einem
hochdruckfesten Membrangehäuse 16, zwischen dessen beiden Hälften die Membran 2
eingespannt ist und welches die Zuleitungen zu den Druckkammern enthält.
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An das Membrangehäuse 16 ist ein Aufnehmergehäuse 17 ein stückig angeschlossen
oder in der aus Figur 2 ersichtlichen Weise dicht angeflanscht, wobei der Spalt
zwischen dem Aufnehmer 3 und dem Aufnehmergehäuse 17 sowie der Raum zwischen der
äußeren Stirnfläche des Aufnehmers 3 und dem Aufnehmergehäus 17 von dem Druck der
Vergleichsdruckkammer 15 beaufschlagt sind. Die zu vergleichen Drücke P1 und P2
wirken damit auf gleiche Flächen. Man erkennt ferner, daß weder das Membrangehäuse
16 noch das Aufnehmergehäuse 17 von StromdurchfUhrungen oder dergleichen durchdrungen
sind, weshalb eine explosionsgeschützte Ausführung der gesamten Anordnung keine
Schwlerigkelten bereitet.
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An seinem an die Membran 2 angeschlossenen Ende trägt der Aufnehmer
3 einen Bund oder Kopf 18, welcher in einer entsprechend geformten Ausnehmung der
Vergleichsdruckkammer 15 Aufnahme findet. Die Druckkammern 13 und 15 besitzen jeweils
nur ganz geringes Volumen, wobei die der Membran 2 gegenüberliegenden Wände der
Druckkammern zur gegenüberliegenden Membranfläche im geringem Abstand parallel verlaufen.
Werden mit der hier angegebenen Einrichtung Druckdifferenzen im Bereich sehr hoher
Drücke gemessen, so führt eine einseitige, ungewollte Druckentlastung nicht zu einer
Zerstörung des Gerätes, da sich die Membran an die gegenüberliegende Wand der entlasteten
DruckKammer anlegen kann und nicht unzulässig verformt wird. Dies trifft auch bei
einer plötzlichen Entlastung der Vergleichsdruckkammer 15 zu, da in diesem Falle
sich der durch den Kopf oder Bund 18 gebildete Absatz des Aufnehmers 3 an den gegenüberliegenden
Absatz der einen Hälfte des Membrangehäuses 16 anlegt und den mittleren Teil der
Membran 2 gegen den Überdruck auf der Seite der Druckmeßkammer 13 abstützt.
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Das Bauteil 10 kann von vielerlei berührungslos arbeitenden Stellungsfühlern
gebildet sein. Beispielweise kann es sich bei dem Bauteil 10 um einen kapazitiv
arbeitenden Näherungsinitiator handeln. Eine andere Form eines Stellungsfühlers
ist der in Figur 3 schematisch gezeigte Hallgenerator, welcher einen weiteren, mit
dem Aufnehmer 3 fest verbundenen, im Aufnehmergehäuse 17 befindlichen Permanentmagneten
19 und eine diesem zugeordnete und von dessen Feld durchsetzte Hallsonde 20 umfaßt.
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Eine andere Möglichkeit besteht gemäß Figur 4 darin, am Außenende
des Aufnehmers 3 einen Weicheisenkern 21 zu befestigen, welcher dem Magnetfeld eines
in Figur 4 nur schematisch angegebenen Differentialtransformators 22 zugeordnet
ist. Die Stellungsfühler nach den Figuren 3 und 4 ermöglichen ebenso wie bei der
Ausführungsform nach Figur 2 die Abtastung derjenigen Stellung des Aufnehmers 3,
bei welcher ein Gleichgewicht
zwischen der durch Drücke an der
Membran 2 erzeugten Kraft und der zwischen der Permanentmagnetanordnung 8 und der
feststehenden Spule 6 erzeugten Kraft herrscht.
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Es sei bemerkt, daß die Permanentmagnetanordnung, welche mit der Spule
6 zusammenwirkt, auch von einem einzigen Permanentmagneten gebildet sein kann, wobei
jedenfalls die Richtung der magnetischen Feldlinien und die Stromrichtung durch
die Leiter der Spule 6 so gewählt werden, daß die resultierende Kraftwirkung am
Aufnehmer 3 in dessen Bewegungsrichtung weist und der zu messenden Kraft entgegengerichtet
ist.
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Der von dem Stellungsfühler 10, dem Regler 9 und der Antriebsanordnung
aus Permanentmagnetanordnung und Spule gebildete Regelkreis ist vorzugsweise so
ausgebildet, daß der Aufnehmer 3 und die damit fest verbundenen Teile Schwingungen
ausführen, welche bewirken, daß Reibungskräfte, welche beispielsweise zwischen dem
Aufnehmer und dem Aufnehmergehäuse 17 wirksam sein können, keinen Einfluß auf das
Meßergebnis haben.
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