Spiralfeder in Messsystem
Die Erfindung betrifft eine Spiralfeder in Messsystem, insbesondere Wirbelstrommesssystem.
Bei vielen Messsystemen, insbesondere bei Dreh- zahlmesssystemen, die nach dem Wirbelstromprinzip arbeiten, ist die Messsystem-Drehmomentskennlinie, die den Verlauf des von der Drehzahl abhängigen Drehmomentes kennzeichnet, über grössere Winkelbereiche nicht mehr linear. Dies hat zur Folge, dass die Eichskala des Messsystems auch nicht linear ist.
Insbesondere bei Wirbelstrommesssystemen beginnt die Kennlinie bei zunehmendem Winkelausschlag flacher zu werden. Die zur Erzeugung des Rückstellmomentes bekanntlich verwendeten Spiralfedern, deren Drehmomentskennlinie aber über den ganzen Drehwinkelbereich linear ansteigt, bringen es mit sich, dass eine genaue Eichung derartiger Messsysteme ziemlich schwierig, wenn nicht überhaupt in Frage gestellt ist.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht demnach darin, die Drehmomentskennlinie der Spiralfeder so zu verändern, dass sie im Zusammenspiel mit der Messsystemkennlinie eine resultierende Kennlinie ergibt, die der zu verwendenden Eichskala entspricht. Im Normalfall wird eine lineare Eichskala angestrebt, d. h. die Winkelausschläge pro Messeinheit sind über den ganzen Messbereich gleich gross. Gemäss der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine geknickte Drehwinkel/ Drehmoment ?/Md-Kennlinie, wobei der Kennlinienknick dadurch erzeugt wird, dass an einer bestimmten Stellc der Spirale ein nach einer bestimmten Winkeldrehung wirksam werdender Abgriff vorgesehen ist, der nach Überschreiten des bestimmten Drehwinkels die wirksame Federlänge der Spirale ändert.
Um die q7/Md-Kennlinie der Spiralfeder dem Verlauf der Wirbelstrom-Messsystem-Drehmomentskennlinie anzugleichen, müsste mit zunehmendem Winkelausschlag eine grössere Federlänge wirksam werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die äusserste Federwindung beim Drehwinkel Null unter einer gewissen wählbaren Vorspannung steht.
Die Erzielung eines Knickes in der cp/Md-Kenn- linie der Spiralfeder kann aber auch noch einen anderen Zweck verfolgen, nämlich den, dass man damit eine Dehnung eines gewissen Teiles des Messbereiches erreichen will; z. B. bei Strassenbahnen oder sonstigen Kurzstreckenfahrzeugen wird oft gefordert, dass die untere Hälfte des Messbereiches einen grösseren Winkelbereich überdeckt als die zweite Hälfte des Messbereiches, um für den Bereich, in dem am meisten gefahren wird, eine genauere Anzeige oder übersichtlichere Skala zu haben. Im Gegensatz zur erstgenannten Anwendungsart muss in diesem Falle eine progressive Kennlinienänderung stattfinden.
Um dies zu erreichen, ist es schon bekannt, zwei Spiralfedern zu verwenden, von denen die eine über den ganzen Messbereich wirksam ist und die zweite nach einem bestimmten Drehwinkel ç zugeschaltet wird. Diese bekannte Lösung hat aber den Nachteil, dass die Einjustierung des Knickpunktes, d. h. die genaue Festlegung des Winkels 7t, nach dem die zweite Spiralfeder wirksam werden soll, mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden ist. Ausserdem ist es nicht immer einfach, bei der Kleinheit der heutigen Messgeräte eine zweite Spiralfeder räumlich unterzubringen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung zu entnehmen, die anhand der Zeichnungen gegeben wird.
Fig. 1 zeigt die Spiralfeder in ihrem freien, nur am inneren Ende befestigten Zustand.
Fig. 2 zeigt die Spiralfeder unbelastet, aber in eingebautem Zustand.
Fig. 3 zeigt das Diagramm der beiden wirksam werdenden Kennlinien.
Fig. 4 zeigt eine Spiralfeder in ihrem eingebauten, aber unbelasteten Zustand.
Fig. 5 ist eine Seitenansicht dieser Spiralfeder.
Fig. 6 zeigt in einem Schaubild den dem Rückstelldrehmoment der Spiralfeder entsprechenden Anzeigebereich.
Die Spiralfeder 1 ist mit ihrem inneren Ende 2 an einer Welle 3 so befestigt, dass ihr Mittelpunkt genau mit der Achse der Welle 3 zusammenfällt. An der äussersten Windung besitzt die Spiralfeder 1 eine Öse 4 und am Ende der äussersten Windung einen Haken 5. Es ist in Fig. 1 zu sehen, dass der von der Öse 4 nach aussen verlaufende Teil der Spiralfeder 1 nicht konzentrisch zu den inneren Windungen liegt. Das ist der freie Zustand der Feder. Bevor die Feder in das Gerät eingebaut wird, wird der Haken 5 hinter die Öse 4 gehängt, so dass sich das Bild der Fig. 2 ergibt. Dadurch entsteht in der äussersten Windung, d. h. also zwischen der Öse 4 und dem Haken 5, eine gewisse Spannung der Feder. Beim Einbau der Spiralfeder in der Form der Fig. 2 in das Gerät wird der äussere Befestigungspunkt 6 so gewählt, dass er zur Öse 4 und zum Haken 5 eine bestimmte Winkelstellung hat.
Diese Winkelstellung hängt von der Windungszahl der Feder und der erforderlichen Korrektur der Kennlinie ab.
In der Fig. 3 ist ein Diagramm gezeigt, an dessen Ordinate das Drehmoment und an dessen Abszisse die Drehzahl des Messsystems bzw. der Drehwinkel g der Spiralfeder aufgetragen sind. 7 ist eine Drehmomentskennlinie in Abhängigkeit der Drehzahl des Messsystems. 8 und 9 ist die Drehmomentskennlinie der in Fig. 2 dargestellten Spiralfeder in Abhängigkeit von Drehwinkel q9. Aus dem Diagramm ist zu sehen, dass das Kennlinienstück 8 eine grössere Steilheit aufweist als der Kennlinienabschnitt 9. Dies geht auf folgende Wirkung zurück:
Während des Messvorganges dreht sich die Welle 3 in Uhrzeigerdrehrichtung. Dem vom Wirbelstrommesssystem erzeugten Drehmoment wirkt ein Rückstellmoment der Spiralfeder 1 entgegen, das der Kennlinie 8 entspricht und von dem Teil der Spiralfeder erzeugt wird, der zwischen Punkt 2 und der Öse 4 liegt.
In dem Abschnitt 8 der Kennlinie steht der Teil 1' der Spiralfeder unter Vorspannung. Dabei wirkt die Öse 4 wie ein fester Abgriff und die Federkonstante Md/ist entsprechend der um den Teil 1' verkürzten Spiralfeder verhältnismässig gross. Bei einem bestimmten Drehwinkel Sn' (Punkt 10) hebt sich die Öse 4 vom Haken 5 in Uhrzeigerdrehrichtung ab.
Das bedeutet, dass bei grösser werdendem Winkel g oberhalb des Punktes 10 im Diagramm auch der äussere Teil 1' der Spiralfeder wirksam wird. Eine grössere Federlänge bedeutet aber eine flachere Drehmomentskennlinie, wie sie durch den Abschnitt 9 beispielsweise dargestellt ist.
Es ist aus dem Diagramm zu ersehen, dass sich nach dieser Methode die beiden Drehmomentskennlinien des Messsystems und der Spiralfeder abschnittweise angleichen lassen.
Statt einer degressiv geknickten Federkennlinie lässt sich in analoger Weise auch eine progressive Knickung erzielen, dadurch, dass man die Spiralfeder im entspannten Zustand (Fig. 1) montiert. Mit zunehmendem Drehwinkel e ist zunächst die grössere Federlänge zwischen Punkt 2 bis 6' wirksam, bis die Öse 4 an dem Haken 5 zum Anliegen kommt. Bei weiterer Drehung wirkt nur noch der Teil der Feder zwischen Punkt 2 und 4 mit einer entsprechend steileren Kennlinie.
Diese Wirkung kann man sich besonders vorteilhaft dann zunutze machen, wenn beispielsweise der Anfangsmessbereich gedehnt bzw. der Endmessbereich gedrängt werden soll.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel wird nun im folgenden anhand der Fig. 4, 5 und 6 beschrieben.
Eine Spiralfeder 11 ist mit ihrem inneren Ende 12 an einer Hohlwelle 13, die auf der Messsystemwelle 14 zentrisch gelagert ist, derart befestigt, dass ihr Mittelpunkt genau mit der Achse der Messsystemwelle 14 zusammenfällt. Das äussere Ende 15 der Spiralfeder 11 ist im Gehäuse justierbar befestigt. Im Abgriffspunkt 16 der Spiralfeder 11 ist der Stützhebel 17, der eine Öse 18 besitzt, mit dem der geforderten Dehnung des Messbereiches entsprechenden Windungsabschnitt fest verbunden. Das eine Ende 19 des Stützhebels 17 ist auf der Messsystemwelle 14 gelagert, das andere Ende 20 des Stützhebels ist im unbelasteten Zustand (siehe Fig. 4) frei beweglich und legt sich nach einem bestimmten Drehwinkel a an einen Anschlagstift 21 an. Der Anschlagstift 21 sitzt fest im Gehäuse.
Der Winkel a, den der Stützhebel aus seiner Ausgangslage bis zum Anschlagstift überstreicht, ist massgebend für die Lage des Knickpunktes auf der Systemkennlinie.
Der Hebel 17 hat ausserdem die Aufgabe, zu verhindern, dass sich die noch wirksamen Windungen der Spirale bei Vollausschlag des Messsystems aneinanderlegen. Das Schaubild der Fig. 6 zeigt den Verlauf der Messsystemkennlinie mit einer derartigen an zwei Punkten nacheinander abgegriffenen Spiralfeder.
Dabei sind auf der Abszisse die Zeigerausschläge und auf der Ordinate die zugehörigen Rückstellmomente der Spiralfeder aufgetragen. Daraus ist ersichtlich, dass dem Kennlinienabschnitt 22 links vom Knickpunkt 24 grössere Drehwinkel/Md-Verhältniswerte entsprechen als dem Kennlinienabschnitt 23 hinter dem Knickpunkt 24, d. h. im Bereich der Kennlinie 22 entspricht einer bestimmten Drehzahlzunahme ein grösserer Zeigerausschlag als der Kennlinie 23. Der physikalische Vorgang ist dabei folgender:
Während des Messvorganges dreht sich von der Ruhelage gleich Nullage ausgehend mit zunehmender Geschwindigkeit bzw. Drehzahl die Hohlwelle 13 angetrieben von dem nicht dargestellten Messsystem in Uhrzeigerdrehrichtung auf der Messsystemwelle 14 in einem bestimmten linearen Verhältnis. Zunächst sind alle Windungen, d. h. die ganze Länge der Spiralfeder 11, wirksam.
Mit zunehmendem Zeigerausschlag nähert sich aber der Stützhebel 17 dem An schlag 21, bis er diesen schliesslich berührt. Von diesem Augenblick an sind die zwischen dem äusseren Festpunkt 15 der Spiralfeder 11 und dem Abgriffspunkt 16 des Stützhebels 17 liegenden Windungen als Rückstellkraft erzeugendes Element nicht mehr wirksam. Lediglich die inneren Windungen zwischen dem Abgriffspunkt 16 und der Hohlwelle 13 haben noch Einfluss auf den Zeigerausschlag des Messsystems. Die wirksame Federlänge hat sich also verkürzt, was bedeutet, dass dem durch das Wirbelstromsystem erzeugten Drehmoment ein im Verhältnis anderes Rückstellmoment entgegenwirkt, mit anderen Worten, die Federkonstante (Drehmoment: Winkelausschlag) hat sich geändert: vergrössert.
Es ergeben sich also, wenn man den ganzen Messbereich (Vollausschlag des Zeigers) in Betracht zieht, zwei Federkonstanten für die Spiralfeder 11. Im unteren Teil des Messbereiches ist die kleinere Federkonstante wirksam und im oberen Teil des Messbereiches die grössere. Somit macht der Zeiger des Messgerätes im unteren Teil des Messbereiches für die gleiche Drehzahländerung 1 n einen grösseren Winkelausschlag als im oberen Teil des Messbereiches, der der Federkennlinie 23 entspricht.
Auf den Schutz der Erfindung auf dem Gebiet der Zeitmessungstechnik wird verzichtet.