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Vorrichtung zur Messung kleiner Verschiebungen, insbesondere bei Längenmeßgeräten
auf elektromagnetischer Grundlage
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung
kleiner Verschiebungen, z. B. bei Längenmeßgeräten auf elektromagnetilscher Grundlage,
deren Wirkung auf der Veränderung eines Luftspaltes im Eisenschluß einer Drosselispule
beruht.
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Bei den bekannten Längenmeßgeräten dieser Art sind die Stirnflächen
der Eisenkerne, welche den Luftspalt bilden, eben ausgebildet. Bei einer solchen
Gestaltung ist die Empfindlichkeit der Anzeige stark abhängig von der Weite des
Luftspaltes. Es ergibt sich hierbei eine Skalencharakteristik, die einmal gegeben
ist und nicht geändert werden kann. Eine solche Skalencharakteristik ist aber nicht
für alle Zwecke von Messungen geeignet.
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Die Erfindung bezweckt nun, die Anzeigecharakteristik so zu beeinflussen,
daß jede gewünschte Skalencharakteristik entsteht, z. B. eine lineare Kurve, eine
schwach gekrümmte Kurve mit Knick, eine Kurve mit. Wendepunkt od. dgl. Dieses wird
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die den Luftspalt Ebegrenzenden Stirnflächen
der Magnetkerne bzw. des beweglichen Ankers und des festen Teils des Eisenschlusses
ein der gewünschten » \nzeigecharakteristik entsprechendes, den Verlauf der magnetischen
Kraftlinien im Luftspalt veränderndes Profil erhalten. Durch eine geeignete Profilierung
erhält man z. B. eine Geradlinigkeit der Anzeigecharakteristik über einen größeren
Bereich und dadurch eine größere elektrische Verstellbarkeit des Nullpunktes. Auch
erhält man dadurch an jedem Punkt der Ableseskala die gleiche Ablesegenauigkeit.
Die Profilierung kann kegelförmig, kugelförmig, stufenförmig od. dgl. sein. Die
Form des Profils ist voil den Betriebsbedingunlgen des Meßgerätes und von der Form
der gewünschten Charakteristik abhängig
und muß für den gewünschten
Zweck im einzelnen bestimmt werden.
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Die Prefilierung kann aber auch in der Form gewählt werden, daß der
bewegliche und der feste Teil des Eisenschlusses ineinandergeschoben werden. Diese
Ausbildung hat den besonderen Ntorteil, daß der Hub des Meßgerätes wesentlich vergrößert
wird. Bei den bisherigen. Meßgeräten konnte der Fühlstift nur so weit angehoben
werden, als es die Weite des Luftspaltes euließ.
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Verschiedene beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sind
in den Zeichnungen veranschaulicht.
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Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines bekannten Meßgerätes, dessen
Wirkung auf der Veränderung eines Luftspaltes. im Eisenschluß einer Drosselspule
beruht. Die im Innern des Eisenmantels E befindliche Drossel spule D umschließt
die ;beiden Eisenkerne K1 und K2, von denen K beispielsweise fest und K2 beweglich
am Ende als Fühlstift ausgebildet ist. Je nach der Höhe des auf einer festen Unterlage
ruhenden Prüflings P befindet sich der Fühlstift in einer anderen Lage und erzeugt
so einen mehr oder weniger weiten Luftspalt S. Gemäß der Erfindung soll die Anzleigecharakteristik
eines solchen. Gerätes so beeinflußt werden, daß die Empfindlichkeit über einen
größeren Bereich konstant bleibt bzw. die Charakteristik irgendeine andere gewünschte
Form erhält.
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Wird die Stirnfläche der Magnetkerne nicht eben, sondern beispielsweise
kegelförmig ausgebildet, und zwar so, daß der Kegel des einen Magnetkernes in einen
entsprechenden Hohlkegel des anderen Kernes hineinpaßt, so wird die Änderung des
Luftspaltes bei Bewegung des Magnetkernes um so langsamer vor sich gehen, je. spitzerEder
Kegelwinkel ist. Man kann also auf diese Art die Empfindlichkeit der Anordnung beliebig
beeinflussen. Setzt man nun auf die zunächst ebene Stirnfläche des einen Magnetkernes
einen kleinen Kegel auf und versieht den anderen Magnetkern mit einem entsprechenden
Hohlkegel gemäß Fig. 2 a, so werden sich bei kleineren Weiten des Luftspaltes die
magnetischen Kraftlinien. hauptsächlich auf dem Kegelmantel zusammendrängen, da
dort die Entfernung zwischen den beiden Stirnflächen am geringsten ist. Es wird
also bei kleineren Luftspalten hauptsächlich die Entfernung der Kegelflächen voneinander
wirksam sein. Je weiter der Luftspalt wird, um so weniger spielt der kleine Kegel
eine Rolle. Durch den Ubergang von der verhältnismäßig unempfindlichen Charakteristik
der Kegelfläche zu der Charakteristik der ebenen Stirnfläche resultiert dann eine
Charakteristik. die bei kleinem Luftspalt unempfindlicher. bei großem Luftspalt
aber empfindlicher ist als die der ebenen Stirnfläche. Durch entsprechende Bemessung
des Kegels erreicht man also eine Charakteristik, die z. B. bedeutend weniger gekrümmt
ist als die Charakteristik von Eisenkernen mit ebenen Strinflächen, Anstatt einen
Kegel entsprechend Fig. 2 a auf die Sitrnflächen aufzusetzen, können. mit ähnlicher
Wirkung andere Profile verwendet werden. Durch entsprechende Bemessung der schrägen
Flächen und entsprechende Krümmungen der Rundungen läßt sich die Charakteristik
dann immer in der gewünschten Weise beeinflussen. So zeigen die Fig. 2 b bis 2e
andere Profile, wobei die Fig. 2b aus dem Kegelprofil nach Fig. 2 a durch Abrundung
der zwischen Kegel und Ebene entstehenden Kanten hervorgeht. Dies macht sich in
einem schnelleren Übergang der Kegelcharakteristik in die Ebenecharakteristik bemerkbar.
Hierdurch läßt sich eine über einen gewissen Bereich für viele Fälle genügend lineare
Charakteristik erzielen. Durch Verlegung der schrägen oder gekrümmten Flächen nach
dem Rand gemäß Fig. 2 c läßt sich die Randstreuung der magnetischen Kraftlinien
in verschiedener Weise beeinflussen, wodurch wieder je nach der Bemessung des Profils
verschiedene Charakteristiken sich ergeben. Die Fig. 2 d und 2e zeigen entsprechende,
nicht rotationssymmetrische Profile mit der gleichen Wirkung wie die vorhergehenden.
Die Fig. 2f bis 2h zeigen die Anwendung der Erfindung bei schräg zur Achse des Magnetkernes
angeordnetem Luftspalt. In diesem Fall erfolgt die Bewegung der Spulenkerne quer
zu ihrer Längsachse in der durch Doppelpfeile angedeuteten Richtung.
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Die Fig. 3 a bis 3 c zeigen eine abgeänderte Ausführungsform einer
P r'ofilie rung der Magnetkerne in der Art, daß der bewegliche Teil und der feste
Teil teleskop artig ineinandergeschoben werden können. Bei der meßvorrchtung nach
Fig. 1 kann der bewgliche Fühlstift nur so weit angehoben werden, als es die Weite
des Luftspaltes zuläßt, das sind im allgemeinen nur einige hundertstel Millimeter.
Sollen nun schwer zugängliche Meßflächen gemessen werden, so muß die Möglichkeit
bestehen, den Fühlstift mindestens einige Millimetier anheben zu können. Diese Forderung
läßt sich, wie schon erwähnt, durch die entsprechende Formgebung der magnetkerne
erfüllen. Eine beispielsweise Ausführungsform zeigt Fig. 3 a. Der eine Magnetkernes
erhält an seinem Ende eine zylindrische Verjüngung, die in eine in dem anderen Magneltkern
K2 angebrachte Bohrung mit möglichst geringem Spiel hineinpaßt. Solange das verjüngende
Ende des Magnetkernes K' in. die Bohrung des Kernes K2 hineinragt, bewirkt eine
Verschiebung der Kerne gegeneinander nur eine unmerkliche Veränderung des magnetischen
Flusses, also eine sehr kleine Änderung der Induktivität der Meßdrossel.
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Diese Änderung ist um so kleiner, je geringer das Spiel zwischen den
beiden Ma, gnetkernen. ist. In dem Moment, wo der innere Rand des kernes K2 den
Rand des Kernes K1 gegenübersteht. wie es in der Zeichnung drgestellt ist, wird
der Magnetfluß unterbrochen. Es ergibt sich alsdann eine starke Änderung der Induktivität
der Meß drossel, welche wiederum, genau wie im Fall der Fig. I, von der Entfernung
der NIagnefleerne voneinander abhängilg ist.
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Um eine genaue Zentrierung der Magnetkerne zueinander zu erreichen,
kann entsprechend der Fig. 3 b das Ende des verjüngten Schaftes an dem
einen
der Magnetkerne Kl mittels eines Schaftes M aus einem unmagnetischen Werkstoff beliebig
verlagert werden. Dadurch wird vermieden, daß bei schlechter Führung die Kanten
der Magnetkerne gegeneinanderstoßen und sich so abnutzen. können.
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Um die Veränderung des magnetischen Flusses bei der Verschiebung
der Kerne gegeneinander auf ein Mindestmaß herabzusetzen, kann die Bohrung des Kernes
K gemäß Fig. 3 c ausgebildet werden.
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Hierbei ist die Bohrung in dem größten Teil ihrer Länge mit einer
Büchse N aus unmagnetischem Werkstoff ausgekleidet, so daß nur die für die Messung
wichtige obere Kante in Berührung mit dem Schaft des Kernes bleibt. Die Fig. 3d
und 3e schließlich zeigen noch andere, nicht rotationssyrn. metrische Ausführungsbeispiele
der in den Fig. 3a und 3 b aufgeführten Profile, während Fig. 3 f ein Beispiel zur
Ausführung der Erfindung im Fall einer Bewegungfder Magnetkerne senkrecht zu ihrer
Achse darstellt. Bei allen Ausführungen dieser Gruppe können selbstverständlich
auch die zusammenwirkenden Flächen veränderliche Profilform aufwei sen.
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Das angeführte Beispiel nach Fig. 3 h läßt sich auch in der Form
nach Fig. 4 ausführen, wobei die beiden Magnetkerne K1 und K2 fest bleiben und eine
Bohrung erhalten, in der ein zylindrischer Eisenstab F geführt wird, welcher an
einer Stelle durch ein Zwischenstück Z aus unmagnetischem Werkstoff unterbrochen
wird und beispielsweise an einem Ende als Fühlstift aus, gebildet ist. Diese Ausführung
hat den Vorteil eines unbegrenzten Hubes und der Möglichkeit, an das obere freie
Ende des beweglichen Magnetkernes weitere gleiche Drosselspulen anzubringen. Wird
eine zweite Drossel angebracht, und zwar so, daß bei Zunahme der Induktivität rder
einen Drossel die Induktivität der zweiten Drossel verkleinert wird, was sich durch
entsprechende Anordnung der unmagnetischen Unterbrechungen des beweglichen Ankers
leicht erreichen läßt, und werden diese beiden Drosseln in verschiedene, nebeneinanderliegende
Brückenzweige geschaltet, so ergibt sich eine Charakteristik mit doppelterEmpfindlichkeit
und nahezu linearem Verlauf.
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Die Fig. 5 bis 7 zeigen. Beispiele der Anwendung der Erfindung an
Meßdrosseln anderer Bauart, und zwar bei sogenannten Topfmagneten, bei denen der
Luftspalt außerhalb der Drossel, spule liegt. Die Wirkungsweise ergibt sich ohne
weiteres aus der Darstellung. Es entsprechen die Fig. 5 der Fig. I, die Filg. 6a,
6b, 6c den Fig.2a, 2b, 2c und die Fig. 7 a, 7b, 7c den Fig. 3 a 3b, 3c. Im übrigen
gilt auch hier das über die anderen Beispiele Gesagte.
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Die Fülle der angeführten Beispiele zeigt, daß das Prinzip der Erfindung
sehr weitgehende Abänderungsmöglichkeiten in sich birgt, so daß es an dieser Stelle
zu weit führen würde, alle Möglichkeiten aufzuführen, zumal die Vorschrift der Profilierung
an sich bei geeigneter Dimensionierung der Profileinzeilheiten bei nahezu jeder
Profilform den gewünschten Effekt erreichen läßt.
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Ebenso wie für die hier aufgeführten Beispiele läßt sich die Erfindung
für beliebige andere Formen und Lagen des Luftspaltes anwenden. Das Prinzip der
Erfindung läßt sich natürlich auch auf alle Meßverfahren ausdehnen, bei denen eine
Veränderung der Meßspannung durch Veränderung eines elektrischen oder magnetischen
Feldes bewirkt wird, z. B. bei Transformatoren mit variabler Kopplung, beispielsweise
Differentialtransformatoren, Meßprinzipien, die auf Veränderung der Kapazität eines
Kondensators beruhen, beispielsweise D ifferentialkondensatoren usw.