Verfahren und Einrichtung zur analogen Messung von Drehgeschwindigkeiten
Die bisher bekannten Verfahren zur Messung einer Drehgeschwindigkeit arbeiten vielfach mit einer Umwandlung des Drehwinkels in Impulse, deren Anzahl innerhalb eines bestimmten Zeitraumes als Mass für die Drehgeschwindigkeit dient. Derartige digitale Verfahren sind in vielen Fällen, insbesondere zur kontinuierlichen Messung und Registrierung stark veränderlicher Geschwindigkeiten, nur bedingt oder überhaupt nicht geeignet. Es ist dann ein sogenanntes analoges Messverfahren erforderlich, d. h. ein Verfahren, das die zu messende Drehgeschwindigkeit stufenlos und ausreichend trägheitsarm mit ein deutiger - vorzugsweise linearer - Zuordnung auf einer anderen physikalischen Grösse abbildet.
Bisher geschieht dies vielfach mit Hilfe von Messgeneratoren, die die Drehgeschwindigkeit in eine proportionale Gleichspannung umformen. Derartige Tachodynamos ergeben jedoch sowohl in unipolarer Bauart als auch in Gestalt von Kollektormaschinen vielfach Schwierigkeiten hinsichtlich der über bewegliche Kontakte erfolgenden Abnahme der Messpanung, indem bei hohen Geschwindigkeiten Bürstenfeuer, zu starke Erwärmung und zu grosser Verschleiss auftreten kann, während bei kleinen Drehzahlen, also kleinen Spannungen der nicht präzise erfassbare Übergangswiderstand die Genauigkeit des Messergebnisses stark beeinträchtigt.
Weiterhin sind bei Tachodynamos ausser der elektrischen Leistung noch die Verluste, darunter die oft beträchtlichen Reibungsverluste, vom Messobjekt mechanisch aufzubringen, was eine bedeutende und meist gar nicht erfassbare Veränderung der Messwerte durch die Messung nach sich ziehen kann. Das gleiche gilt für die üblichen Fliehkrafttachometer, bei denen - ebenso wie bei den bekannten Wirbelstromtachometern - ausserdem auch keine Fernmessung möglich ist.
Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren zur analogen Messung von Drehgeschwindigkeiten, das die obengenannten Nachteile vermeidet, sowie Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass ein ruhender, beispielsweise permanenter Magnet in einem in Abhängigkeit von der zu messenden Drehgeschwindigkeit rotierender Drehkörper Ströme induziert und aus einer von diesen Strömen herrührenden, sekundären magnetischen Feldstärke die Messgrösse entnommen wird.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens unterscheiden sich vom Prinzip der bekannten Wirbelstromtachometer - abgesehen von der kinematischen Umkehrung hinsichtlich der induzierten und induzierenden Teile - grundsätzlich dadurch, dass bei diesen das zwischen magnet- und stromführendem Teil entstehende elektrodynamische Drehmoment als Messgrösse dient, was bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ausser Betracht bleibt.
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele von Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens schematisch dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1, 2 und 3 ein erfindungsgemässes Gerät, bei dem eine den primären Magnetfluss schwächende Wirkung sekundärer magnetischer Feldstärken zur Messung ausgenützt ist;
Fig. 4, 5 und 6 Einrichtungen, die die erfindungsgemässe Wirksammachung sekundärer magnetischer Feldstärken ausserhalb des Kreises des primären magnetischen Flusses gestatten;
Fig. 7, 8 und 9 eine Einrichtung, die bei Vereinigung der Eisenkörner für primäre und sekundäre Magnetflüsse eine erfindungsgemässe Messung der letzteren bzw. der sie hervorrufenden magnetischen Feldstärken ohne Beeinflussung durch den Primärfluss gestattet;
Fig. 10, 11 und 12 eine andere Variante einer solchen Einrichtung und zwar in Form einer magnetischen Brücke, die trotz Überlagerung der magnetischen Flüsse zur Messung bzw. Kompensation einer sekundären magnetischen Feldstärke nur einen Hallgenerator oder dergleichen erfordern.
Anhand der Figuren wird das erfindungsgemässe Verfahren beispielsweise erläutert:
In den Fig. 1, 2 und 3 stellt 1 einen ruhenden permanenten Magneten dar, der mit den Polschuhen 2 und 3 versehen ist und einen primären Magnetfluss erzeugt, der die von der Welle 5 getragene rotierende Metallscheibe 4 durchsetzt und sich über die Eisenteile 6 und 7 schliesst. In der Scheibe 4 werden Wirbelströme induziert, deren magnetische Feldstärke aus zwei Komponenten besteht: die eine Komponente wirkt dem Primärfluss unmittelbar entgegen und schwächt dadurch den sogenannten Längsfluss L, die zweite Komponente erzeugt den Querfluss Qt, dessen Verlauf in den Teilen 2 und 6 in Fig. 2 durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist. Durch die Teile 3 und 7 verläuft ein weiterer Querfluss Q2 (nicht eingezeichnet) in umgekehrter Richtung.
Durch geeignete Bemessung der von den Querflüssen durchsetzten Eisenquerschnitte kann es erreicht werden, dass dadurch eine magnetische Sättigung auftritt, die den die gleichen Querschnitte durchsetzenden Längsfluss bL (in Fig. 1 durch volle Pfeile bezeichnet) weiter schwächt. Der Längsfluss wird mit Hilfe eines zwischen den Teilen 6 und 7 angeordneten Hallgenerators 8 gemessen, seine mit der Geschwindigkeit der Scheibe 4 zunehmende Schwächung ergibt ein Mass für diese Geschwindigkeit. Anstelle des Hallgenerators 8, der eine dem Fluss L verhältnisgleiche Spannung abgibt, kann auch ein magnetfeldabhängiger Widerstand angeordnet werden.
Um den Einfluss des primären Magnetfeldes auszuschalten, also nur die jeweilige Schwächung von L gegenüber seinem Stillstandswert als Hallspannung zu erhalten, wird vorgeschlagen, den Magneten 1 mittels der Eisenteile 9 und 10 mit einem magnetischen Nebenschluss zu versehen, dessen magnetischer Fluss einen Hallgenerator 11 durchsetzt. Da dieser Fluss von der jeweiligen Grösse des Längsflusses der, praktisch nicht oder nur wenig (und zwar gegensinnig) abhängt, kann durch Gegenschaltung der beiden Hallgeneratoren 8 und 11 eine Spannung erhalten werden, die der Schwächung des Flusses L verhältnisgleich ist.
Der gleiche Effekt kann auch unter Vermeidung des magnetischen Nebenschlusses erzielt werden, indem der gegenzuschaltende Hallgenerator von einem besonderen permanenten Magneten, der keine magnetische Verbindung mit dem Messkreis aufweist, beaufschlagt wird. Eine Kompensation jenes (konstanten) Teiles der Hallspannung, der auf den Primärfluss zurückzuführen ist, kann auch rein elektrisch, d. h. durch Erzeugung einer konstanten Gegenspannung mit Hilfe einer beliebigen Fremdstromquelle, erfolgen.
Es wird ferner vorgeschlagen, die unerwünschten Temperaturabhängigkeiten des Magneten 1, der Scheibe 4 hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit, sowie des Hallgenerators, die alle im gleichen Sinne wirken, dadurch zu kompensieren, dass in an sich bekannter Weise ein magnetischer Nebenschluss angeordnet wird, dessen Permeabilität mit steigender Temperatur in geeignetem Ausmasse stärker abnimmt, als der vom Magneten 1 erzeugte Gesamtfluss, wodurch der Nutzfluss L mit der Temperatur in erforderlicher Weise zunimmt. Diese Möglichkeit einer Temperaturkompensation besteht auch bei den in den übrigen Abbildungen dargestellten Einrichtungen. In anderer Weise ist eine Temperaturkompensation dadurch erzielbar, dass der Steuerstrom der Hallgeneratoren eine geeignete positive Temperaturabhängigkeit erhält.
Bei den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erfindungsgemässer Einrichtungen ist als induzierter Drehkörper eine ebene, homogen aus leitfähigem Werkstoff aufgebaute Scheibe vorgesehen, in der demnach Wirbelströme erzeugt werden. Es kommen jedoch auch aus Anordnungs- und Stabilitätsgründen Varianten der Erfindung in Betracht, bei denen der induzierte Drehkörper eine andere, z. B. hohlkegelige, im Grenzfall hohlzylindrische oder einen Teil einer Hohlkugel bildende Form aufweist. Schliesslich kann der induzierte Drehkörper auch aus einem ferromagnetischen Werkstoff fallweise geblecht oder gesintert - bestehen und mit besonderen Bahnen für die Sekundärströme, vorzugsweise in Gestalt eines Kurzschlusskäfigs, versehen sein.
Bei der in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellten Einrichtung wird der Primärfluss durch den Magneten 12 erzeugt und schliesst sich über das Joch 17, wobei er die mit der Welle 16 rotierende Scheibe 15 zweifach durchsetzt. Die sekundäre magnetische Feldstärke ergibt auch hier eine Schwächung des in Fig. 4 durch voll gezeichnete Pfeile angedeuteten Längsflusses, die mit der Geschwindigkeit der Scheibe zunimmt. Zum Unterschied von der in den Fig. 1 bis 3 abgebildeten Einrichtung wird jedoch die Schwächung hier nicht zur Messung herangezogen, vielmehr geschieht dies durch den Querfluss Q > Q1 (Fig. 5, gestrichelte Pfeile), der, von den induzierten Strömen allein hervorgerufen, sich durch die Eisenkörper 18 und 19 schliesst. Diese beispielsweise geblechten Eisenkörper sind zweckmässig, wie aus Fig.
6 hervorgeht, symmetrisch zu den den Primärfluss führenden Teilen angeordnet, wodurch in ihnen allein der Querfluss Q1 fliesst. Er wird beispielsweise durch den Hallgenerator 20, der eine verhältnisgleiche Spannung abgibt, gemessen. Soweit im Kreise der Sekundärströme die Selbstinduktion gegenüber dem ohm'schen Widerstand vernachlässigbar bleibt, sind diese Ströme und daher bei Vermeidung von Sättigungserscheinungen auch die Querkomponente des von ihnen erzeugten sekundären Magnetflusses verhältnisgleich der Drehgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeitsgrenze, bis zu der diese Proportionalität genügend genau erhalten bleibt, kann durch ent sprechende Verringerung der elektrischen und/oder magnetischen Leitfähigkeiten des induzierten Kreises beliebig hoch gelegt werden.
Die vom Hallgenerator abgegebene Gleichspannung ist dann bis zu dieser Geschwindigkeitsgrenze der jeweiligen Geschwindigkeit verhältnisgleich.
Der Primärfluss kann auch allein oder zusätzlich elektrisch erregt werden. Für diesen Fall sind die Wicklungen 13 und 14 (Fig. 4) vorgesehen. Es wird vorgeschlagen, den Steuerstrom des Hallgenerators zu einer wenigstens zusätzlichen Erregung mittels der Wicklungen 13, 14 heranzuziehen. Eine zwecks An- derung des Geschwindigkeits-Messbereiches vorgenommene Veränderung des genannten Steuerstromes wirkt dann zweifach im gleichen Sinne.
Anstelle des Hallgenerators 20 kann auch hier ein magnetfeldabhängiger ohm'scher Widerstand treten.
Eine wichtige Variante der dargelegten Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Querfeld durch die von ihm bewirkte Vormagnetisierung seines sättigbaren Kreises, also nach dem Transduktorprinzip erfasst wird. Der Hallgenerator 20 bzw. der ihn ersetzende Widerstand kann dann fortfallen.
Die Vormagnetisierung durch (1 wird durch eine Transduktor-Wicklung 21 erfasst. Bei Verwendung des Transduktorprinzips ist es fallweise vorteilhaft, ein Paar von Transduktoren vorzusehen. In dèn Fig.
5 und 6 ist ein zweiter Transduktor, der den Querfluss Q., führt, durch den Eisenteil 22 und die Wicklung 23 dargestellt. Eine ähnliche Ausführung wie sie in Fig. 5 durch die Teile 18, 19, 20 und 21 dargestellt ist, kann auch verwendet werden, um das Querfeld Ont magnetisch zu kompensieren. In diesem Fall wirkt der Hallgenerator 20 nur als Nullindikator, der dazu dient, in an sich bekannter Weise eine durch die gleichstromgespeiste Wicklung 21 hervorgebrachte Gegenerregung so zu steuern, dass Qt verschwindet (Kompensation mit Selbstabgleichung).
Der Erregerstrom der Wicklung 21 ist dann ein Mass für eine sekundäre magnetische Feldstärke und damit für die Drehgeschwindigkeit.
Die in den Fig. 7, 8 und 9 dargestellte erfindungsgemässe Einrichtung weist eine Vereinigung der die Längs- und Querflüsse führenden Eisenkörner auf. Der Primärfluss wird durch den Magneten 24 erzeugt, durchsetzt die auf der Welle 26 befestigte Scheibe 25 zweimal und ist durch die Eisenkörper 27, 30 und 31 geschlossen. In Fig. 9 ist die Scheibe 25, - ebenso die Scheibe 15 in Fig. 6 - obwohl vor der Zeichenebene liegend, zur Verdeutlichung strichpunktiert eingezeichnet. Die beiden letztgenannten Teile sind hinsichtlich des Längsflusses Parallelwege, jeder von ihnen ist nur vom Teilfluss QL1 bzw.
< P,, durchsetzt. Bezüglich eines sekundär erregten Querflusses - in Fig. 7 durch gestrichelte Pfeile dargestellt - sind diese Teile hintereinander geschaltet. Zwischen den Teilen 27 und 30 ist der Hallgenerator 28 angeordnet, der von der Flussdifferenz (L1Q) durchsetzt wird. Ein zweiter Hallgenerator 29 befindet sich zwischen den Teilen 27 und 31 und ist mit der Flussumme bLo + Q beaufschlagt.
Durch Gegeneinanderschaltung der beiden Hallgeneratoren 28 und 29 lässt sich auf diese Weise eine Spannung erzielen, die dem Querfluss O verhältnisgleich ist. Die Teile 30 und 31 können auch - nicht eingezeichnet - mit Wicklungen versehen werden, die eine Kompensation des Querflusses ermöglichen.
Die magnetische Kompensation ist immer dann von Vorteil, wenn mit Rücksicht auf eine grosse Erstrekkung des linearen Messbereiches eine tunlichst kleine Selbstinduktion im Kreise der Sekundärströme angestrebt wird.
Die in den Fig. 10, 11 und 12 schematisch gezeigte Einrichtung stellt eine magnetische Brückenschaltung dar, die es gestattet, die Messung mit Hilfe eines einzigen Hallgenerators in einem weiten Drehzahlbereich mit praktisch linearer Zuordnung der Hallspannung zur Drehgeschwindigkeit auszuführen.
Der vom Magneten 32 erzeugte Primärfluss tritt durch die auf der rotierenden Welle 34 sitzende Scheibe 33 und schliesst sich über die beiden magnetisch parallelen Eisenteile 35 und 36. Diese Teile sind nur an einer Stelle durch die Zwischenstücke 37 und 38 über den Hallgenerator 39 magnetisch verbunden. Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, wird für den Fall, dass die Brücke hinsichtlich des Längsflusses OL abgeglichen ist - was auf verschiedene Weise, z. B. durch Luftspalteinstellung, unschwer erzielt werden kann der Hallgenerator 39 nur von der Summe der beiden Querflüsse çQt + QJ durchsetzt. Auch hier kann anstelle des Hallgenerators eine andere Einrichtung zur Messung magnetischer Flüsse treten.
Ferner können, ebenso wie bei den früher gezeigten Einrichtungen, die Querflüsse durch auf den Teilen 37 und 38 angeordnete Kompensationswicklungen aufgehoben und damit indirekt erfasst werden.
Das dargelegte Verfahren bzw. die Einrichtungen zu dessen Durchführung besitzen die im folgenden zusammengefassten bedeutenden Vorteile:
Das Reibungsmoment ist nur sehr gering bzw. verschwindet bei fliegender Anordnung des induzierten Drehkörpers oder Verwendung eines bereits vorhandenen Maschinenteils hierfür vollständig.
Die abgegebene Messleistung wird vom Messobjekt nicht erzeugt sondern nur gesteuert. Damit ist die Gefahr einer Verfälschung der Messwerte durch die Messung vermindert und kann mit der Primärleistung des Messgerätes beliebig weit verkleinert werden, wenn die Messung einer sekundären magnetischen Feldstärke über eine entsprechende Verstärkung erfolgt. Wird die genannte Feldstärke nach dem Transduktorprinzip gemessen, so ist damit eine solche Verstärkungsmöglichkeit bereits von Haus aus gegeben.
Die Geräte arbeiten ohne bewegliche Kontakte und damit ohne Drehzahlbegrenzung. Sie sind einfach und robust aufgebaut, weisen nur geringes Gewicht und Volumen auf und sind völlig wartungsfrei.
Bei der Messung mit Hallgenerator tritt als Messpannung eine reine Gleichspannung, also ohne überlagerte Wechselspannung, auf, die zur Drehgeschwindigkeit in Grösse und Richtung analog ist. Da ein Hallgenerator einen niederohmigen Quellwiderstand darstellt, ist eine verlustarme Übertragbarkeit des Messwertes auch über lange Leitungen gegeben.