Vorrichtung zur Messung kleiner Verschiebungen. Die Erfindung bezieht sich auf eine Vor richtung, die zur Messung kleiner Verschie bungen gegeneinander beweglicher Körper bestimmt ist und bei der Teile eines magne tischen Kraftlinienweges ihre gegenseitige Lage verändern und die hierdurch bewirkte Änderung des Kraftlinienflusses als Mass der Verschiebung an einer elektrischen Mess- anordnung zum Ausdruck kommt. Die Er findung kann beispielsweise als hochempfind- liche Fernanzeigevorrichtung für die Än derung der Stellung eines Flüssigkeitsspiegels oder von durch die Temperatur beeinflussten Körpern dienen.
Insbesondere soll die Vor richtung zur Bestimmung des Drehmomentes, der Schwankungen des Drehmomentes und damit auch des Ungleichförmigkeitsgrades umlaufender Wellen oder der durch sie über tragenen Arbeit verwendet werden. Die Er findung bezweckt, im Vergleich zu bekann ten Messeinrichtungen die Empfindlichkeit er heblich zu erhöhen, so dass die Vorrichtung insbesondere für die Feststellung äusserst ge ringfügiger Verschiebungen geeignet ist.
Gemäss der Erfindung sind mit dem einen zweier relativ zueinander sich verschiebender Körper zwei Spulen mit verschiedenen magne tischen Kreisen und mit dem andern Körper ein die Kraftlinienflüsse beider Spulen ge meinsam beeinflussender Eisenkörper ver bunden, derart, dass bei gegenseitiger Ver stellung der beiden Körper die Kraftlinien flüsse in den Spulen im entgegengesetzten Sinne geändert werden, wobei die elektrische Messanordnung das Verhältnis dieser Kraft flüsse misst.
Auf der Zeichnung sind mehrere Aus führungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Fig. 1 stellt eine Vorrichtung zur Mes sung des Verdrehungswinkels oder des über tragenen Drehmomentes einer -Welle 1 in Sei tenansicht dar, während Fig. 2 ein Quer schnitt ist. Als Mass für die Verdrehung sind zwei Querschnitte A und B festgesetzt. An der Stelle des Querschnittes A ist ein Rohr 2 einseitig befestigt, dessen freies Ende mit einer aus Eisen bestehenden Nase 3 in die Ebene des Querschnittes B reicht.
Beider seits dieser Nase, jedoch in gewissem Ab stand davon sind auf der grelle 1 zwei gegen einander gekehrte U-förmige Eisenkörper 4 und 5 mit Wicklungen 6 und 7 angeordnet, deren Befestigungspunkt dem Querschnitt B entspricht.
Ein Messgerät enthält in einem durch einen Elektromagneten 11 erzeugten Feld zwei Kreuzspulen 12 und 13, die einer seits gemeinsam an -den einen Pol 14 der auch den Erregerstrom des Magnetes 11 liefernden Wechselstromquelle 15 angeschlossen, ander- seit3 durch Bürsten 16, 17 mit zwei Schleif ringen 9 und 10 auf der 'delle 1 verbunden sind. Über einen dritten Schleifring 8 wird mittelst einer Bürste 18 der andere Pol der )%'echselstromquelle 19 gemeinsam an das eine Ende der Spulen 6 und 7 gelegt, deren andere Enden mit den Schleifringen 9 bezw. 10 verbunden sind.
Die Schaltung bezw. der Wicklungssinn der Spulen 6 und 7 is@e ein derartiger, dass sie in der mit dem Rohr 2 verbundenen Nase 3 entgegengesetzt wirkende Kraftflüsse zu erzeugen streben.
Wenn die Welle 1 keine Arbeit überträgt und mithin keine Verdrehungen erfährt, be findet sich die Nase 3 genau in der Mitte zwischen den beiden Elektromagneten 4 ui!d 5. Es sind dann sämtliche Luftstrecken in dem magnetischen Kreis einander gleich, und entsprechend drn entgegengesetzt gerichteten magnetomotorischen Kräften heben sich die Kraftlinien in der Nase 3 auf.
Demzufolge nehmen beide Spulen 6 und 7 dieselben Ströme auf, die Kreuzspulen 12, 13 des Mess- instrumentes halten einander das Gleich- ',eivicht. Vers3hiebt sich dagegen die Nase 3 infolge einer Verdrehung der Welle nach der einen oder andern Seite, so ändern sich die magnetische=n Widerstände in den beiden Kreisen, und dementsprechend wird der von der einen Spule aufgenommene Strom grösser, der von der andern kleiner.
Das Kreuzspulen- system erfährt eine Verdrehung in seinem Feld, die bei geeigneter Wahl der Verhält nisse proportional der Verschiebung der Nase 3 und damit der Verdrehung der Welle ist. Das Messgerät kann unmittelbar in Einheiten des Verdrehungswinkels oder des Dreh momentes geeicht werden.
Fig. 3 v erans@.Iaulicht ein Ausführungs beispiel der Vorrichtung, mit dem Schwan kungen des Drehmomentes an der umlaufen den Welle und damit deren Ungleichförrnig- keitsgrad gemessen werden können. Das Elektromagnetsystem entspricht dem nach Fig. 1. Es wirken zwei mit Wicklungen Ei und 7 versehene U-förmige Eisenkörper 4 und 5, die beispielsweise unmittelbar an der Welle 1 befestigt sind, mit einem an dem Rohr 2 angeordneten Nebenschlussstück 3 zusammen.
Dieses trägt aber eine Wicklung 28, an die ein amperemetrisches Weci.sel- strom-Messgerä.t über Schleifringe 43, 44 und Bürsten 45, 46 angeschlossen ist. Ins besondere empfiehlt es sich, mit der Wick lung 28 die sich zwischen den Polen eines Magnetes 30 bewegende Schleife 29 eines Oszillographen zu verbinden. Die Spulen 6, 7 sind an eine Gleichstromquelle 27 ange schlossen.
Sofern die umlaufende Welle rasch auf einanderfolgende Schwankungen des Dreh momentes erfährt, äussern diese sich in einer hin- und herschwankenden Bewegung des magnetischen Nebenschlussstii^lzes 3. Hierbei werden in der Wicklung 28 elektromotorische Kräfte induziert, die in ihrem Verlauf durch den Oszillographen genau angezeigt werden. Ein anstatt des Oszillographen verwendetes einfaches Wechselstrommessgerät kann unter günstigen Umständen durch seinen dauern den oder pendelnden Ausschlag das Mass der Anderungen des Drehmomentes anzeigen.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Messeinrichtung gezeigt, mit der ohne weiteres die durch die Welle übertragene Leistung festgestellt werden kann. Es wird c'abei das voltmetrische Messgerät_30 von zwei Grössen beeinflusst, von denen die eine der Verdrehung der Welle, die andere der Um laufzahl der Welle entspricht.
Mit der Welle 1 sind, wie bei der Anordnung nach Fig. 3, Eisenkörper #z. und 5 fest verbunden, die Spulen 6 und 7 tragen. Zwischen den Eisenkörpern ist ein magnetisches Neben- schlussstück 3 bewegbar, das an dem von der Wellenverdrebung an dem Querschnitt A be- einflussten l?ohr \? befestigt ist.
Die Wick lungen 6 und 7 sind in Reihe an Schleif- rili";c 31. 32 angeschlossen, denen über Bür- @len 33. 34 ein synchron zur -\Vellendrehung cliwingender Wechselstrom zugeführt wird. Dieser Wechselstrom wird in einem auf die Wellenachse aufgesetzten Generator erzeugt. Dieser Generator besteht im vorliegenden Beispiel aus einer Scheibe 35 mit Eisen zähnen, die sich an den Polen eines Magnetes 36 vorbeibewegen und somit den magnetischen Widerstand ändern. Der Magnet 36 wird durch einen eine Wicklung 37 durchfliessen den Gleichstrom erregt.
An dieselbe Wick lung sind über einen Kondensator 39 die Bürsten 33, 34 angeschlossen. Das Messgerät 30 ist über Bürsten 40, 41 an die Schleif ringe 32 und@42 angeschlossen, die mit einer auf dem magnetischen Nebenschlussstück 3 vorgesehenen Wicklung 28 in Verbindung stehen.
Befindet sich das Nebenschlussstück 3 in der Mitte zwischen den beiden Elektro- magneten 4 und 5, so sind die Luftstrecken in den magnetischen Kreisen einander gleich und die im Schlussstück verlaufenden Kraft linien heben sich auf. Es wird mithin in der Wicklung 28 kein Strom induziert.
Ver schiebt sich dagegen infolge einer Verdrehung der Welle der Nebenschluss 3 nach der einen o#ler andern Seite, so verändern sich die magnetischen Widerstände in dem magne tischen Kreis, und es entsteht in dem Schluss- stück ein Kraftfluss, der entsprechend elektro motorische Kräfte in der Wicklung 28 er- zeugt,-deren Grösse an dem Messgerät 30 be stimmt wird.
Der Wert der induzierten elektromotorischen Kräfte ist, wie Versuche ergeben haben, in weitem Bereich proportio- nal der Verstellung des magnetischen Neben schlusses, vorausgesetzt, dass die Luftspalte so gross gemacht sind, dass sie im wesent lichen allein für den Widerstandswert der magnetischen Kreise in Betracht kommen. Die elektromotorischen Kräfte sind bei geeig neter Wahl der Verhältnisse ferner aber auch- proportional der Umdrehungszahl der Welle, da durch diese die Stärke und die Perioden zahl des die Wicklungen 6 und 7 durch fliessenden Erregerstromes bestimmt wird.
Mithin ergeben die Ausschläge an dem Mess gerät 30 ein Mass für die durch die Welle übertragene Arbeit, und die Eichung des Messgerätes kann unmittelbar in Arbeitsein heiten erfolgen.
Man kann auch die dem Drehmoment und die der Umlaufzahl der Welle ent sprechenden elektrischen Grössen getrennt in Spulensystemen eines Messinstrumentes wir ken lassen, wobei dann dafür Sorge zu tra gen ist, dass die in den verschiedenen Sy stemen fliessenden Ströme in stets gleicher Phase schwingen, was durch die Anordnung von Kunstphasen oder dergleichen er-reicht werden kann.
An Stelle des Wechselstromgenerators kann auch eine Gleichstromquelle mit Kon densatoren verwendet werden, der mit Hilfe einer von der Welle angetriebenen Umschalt vorrichtung einzelne Stromstösse entnbmmen werden.
Bei Verwendung der neuen Vorrichtung zur Messung der Verstellung ruhender Kör per kann meist der eine Teil des elektro magnetischen Systems fest angeordnet sein, während der andere von dem sich verstellen den Körper verschoben wird. Unter Umstän den kann der Antrieb des beweglichen Systemteils mit Hilfe eines Übersetzungs triebwerkes erfolgen.
Device for measuring small displacements. The invention relates to a device that is intended for measuring small displacements of mutually movable bodies and in which parts of a magnetic path of force lines change their mutual position and the resulting change in the flow of force lines as a measure of the displacement on an electrical measuring arrangement Expression comes. The invention can serve, for example, as a highly sensitive remote display device for changing the position of a liquid level or of bodies influenced by temperature.
In particular, the device should be used to determine the torque, the fluctuations in the torque and thus also the degree of irregularity of rotating waves or the work carried out by them. The aim of the invention is to increase the sensitivity considerably compared to known measuring devices, so that the device is particularly suitable for detecting extremely small displacements.
According to the invention, two coils with different magnetic circles are connected to one of two bodies that move relative to one another and to the other body an iron body that jointly influences the force line flows of both coils, in such a way that the force lines flow when the two bodies are mutually adjusted be changed in the coils in the opposite sense, the electrical measuring arrangement measuring the ratio of these power flows.
In the drawing, several exemplary embodiments of the invention are shown. Fig. 1 shows a device for measuring the angle of rotation or the transmitted torque of a shaft 1 in Be tenansicht, while Fig. 2 is a cross section. Two cross-sections A and B are set as a measure for the twist. At the point of cross-section A, a tube 2 is fastened on one side, the free end of which extends into the plane of cross-section B with a nose 3 made of iron.
On both sides of this nose, however, to a certain extent from it stood on the garish 1 two opposing U-shaped iron bodies 4 and 5 with windings 6 and 7 are arranged, the attachment point of which corresponds to the cross section B.
A measuring device contains two cross-wound coils 12 and 13 in a field generated by an electromagnet 11, which are connected on the one hand to one pole 14 of the alternating current source 15 which also supplies the excitation current of the magnet 11, and on the other hand by brushes 16, 17 with two grinding devices Rings 9 and 10 on the 'dent 1 are connected. Via a third slip ring 8, by means of a brush 18, the other pole of the)% 'echselstromquelle 19 is put together to one end of the coils 6 and 7, the other ends of which with the slip rings 9 respectively. 10 are connected.
The circuit respectively. the winding sense of the coils 6 and 7 is such that they strive to generate oppositely acting force flows in the nose 3 connected to the tube 2.
If the shaft 1 does not transmit any work and therefore does not experience any twisting, the nose 3 is exactly in the middle between the two electromagnets 4 and 5. All air gaps in the magnetic circuit are then equal to one another and accordingly directed in opposite directions Magnetomotor forces cancel the lines of force in the nose 3.
As a result, both coils 6 and 7 absorb the same currents, and the cross-wound coils 12, 13 of the measuring instrument keep one another level. If, on the other hand, the nose 3 shifts to one side or the other as a result of a twisting of the shaft, the magnetic resistances in the two circles change, and accordingly the current absorbed by one coil becomes greater and that of the other less.
The cross-coil system experiences a twist in its field which, with a suitable choice of the ratios, is proportional to the displacement of the nose 3 and thus the rotation of the shaft. The measuring device can be calibrated directly in units of the angle of rotation or the torque.
Fig. 3 shows an exemplary embodiment of the device with which fluctuations in the torque on the rotating shaft and thus its degree of irregularity can be measured. The electromagnetic system corresponds to that according to FIG. 1. Two U-shaped iron bodies 4 and 5, provided with windings Ei and 7, which are for example fastened directly to the shaft 1, interact with a bypass piece 3 arranged on the tube 2.
This, however, carries a winding 28 to which an amperometric alternating current measuring device is connected via slip rings 43, 44 and brushes 45, 46. In particular, it is advisable to connect the loop 29 of an oscilloscope moving between the poles of a magnet 30 to the winding 28. The coils 6, 7 are connected to a direct current source 27.
If the rotating shaft quickly experiences fluctuations in the torque following one another, these are expressed in a back and forth fluctuating movement of the magnetic shunt pin 3. Here, electromotive forces are induced in the winding 28, the course of which is precisely displayed by the oscilloscope . A simple alternating current measuring device used instead of the oscilloscope can, under favorable circumstances, show the extent of the changes in the torque due to its continuous or oscillating deflection.
FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a measuring device with which the power transmitted by the shaft can easily be determined. The voltmetric measuring device 30 is influenced by two variables, one of which corresponds to the rotation of the shaft and the other to the number of revolutions of the shaft.
With the shaft 1, as in the arrangement according to FIG. 3, iron bodies #z. and 5 firmly connected, the coils 6 and 7 carry. A magnetic shunt piece 3 can be moved between the iron bodies, which is attached to the ear, which is influenced by the wave distortion on cross section A. is attached.
The windings 6 and 7 are connected in series to grinding rings 31, 32, to which an alternating current oscillating synchronously with the shaft rotation is fed via burials 33, 34. This alternating current is applied to the shaft axis In the present example, this generator consists of a disk 35 with iron teeth, which move past the poles of a magnet 36 and thus change the magnetic resistance. The magnet 36 is excited by a winding 37 with direct current flowing through it.
The brushes 33, 34 are connected to the same winding via a capacitor 39. The measuring device 30 is connected via brushes 40, 41 to the slip rings 32 and 42, which are connected to a winding 28 provided on the magnetic shunt 3.
If the shunt 3 is in the middle between the two electromagnets 4 and 5, the clearances in the magnetic circles are equal to each other and the lines of force running in the end cancel each other out. No current is therefore induced in winding 28.
If, on the other hand, the shunt 3 shifts to one or the other side as a result of a twisting of the shaft, the magnetic resistances in the magnetic circuit change, and a power flow arises in the end piece, which accordingly generates electric motor forces of the winding 28, the size of which is determined on the measuring device 30.
As tests have shown, the value of the induced electromotive forces is in a wide range proportional to the adjustment of the magnetic shunt, provided that the air gaps are made so large that they are essentially only used for the resistance value of the magnetic circuits come. The electromotive forces are also proportional to the number of revolutions of the shaft with a suitable choice of the ratios, since this determines the strength and the number of periods of the windings 6 and 7 by flowing excitation current.
The deflections on the measuring device 30 therefore give a measure of the work transmitted by the shaft, and the calibration of the measuring device can be carried out directly in working units.
One can also let the electrical quantities corresponding to the torque and the number of revolutions of the shaft act separately in the coil systems of a measuring instrument, whereby care must then be taken that the currents flowing in the various systems always oscillate in the same phase, which can be achieved through the arrangement of artificial phases or the like.
Instead of the alternator, a direct current source with condensers can be used, which can be removed with the help of a switching device driven by the shaft individual current surges.
When using the new device for measuring the adjustment of resting body by mostly one part of the electro-magnetic system can be fixed, while the other of the adjust the body is moved. Under certain circumstances, the moving system part can be driven with the aid of a translation engine.