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Einrichtung zum Messen von Kräften riiit einer veränderlichen Temperaturen
ausgesetzten magnetoelastischen Meßdose Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen
zum :Messen von Kräften mit sogenannten magnetoelastischen Meßdosen. Eine solche
Meßdose besteht aus einem Eisenkörper, der ganz oder zum Teil den zu messenden Kräften
ausgesetzt ist und eine Wicklung trägt, die an eine Stromquelle angeschlossen ist.
Durch die auf den Meßdosenkörper wirkenden Kräfte wird der magnetische Leitwert
geändert, so @ daß ein geeignetes, an die Wicklung der Meßdose angeschlossenes elektrisches
Meßgerät zur Bestimmung der zu messenden Kräfte benutzt werden kann. Vorzugsweise
wird die Wicklung der Meßdose an eine Wechselstromquelle angeschlossen und das elektrische
Meßgerät so geschaltet, daß es von der Größe des Wechselstromwiderstandes der Wicklung
beeinflußt wird.
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Es hat sich nun herausgestellt, daß in diesem Falle die Anzeige in
erheblichem Maße durch Änderungen der Temperatur der Meßdose beeinflußt wird. Dies
hat zunächst seinen Grund in der bekannten Erscheinung, daß die magnetische Permeabilität
der für die Herstellung des Körpers der Meßdose in Betracht kommenden Werkstoffe
von der Temperatur abhängig ist.
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Die diesbezüglichen Verhältnisse sind aus Fig. = der Zeichnung zu
erkennen. Diese zeigt die Magnetisierungskurven eines für den vorliegenden Zweck
geeigneten Werkstoffes bei drei verschiedenen Temperaturen. Man sieht daraus, daß
die Sättigung mit steigender Temperatur abnimmt, die Magnetisierbarkeit bei schwachen
Feldern aber ansteigt. So haben die Magnetisierungskurven für zwei verschiedene
Temperaturen einen Punkt gemeinsam. Arbeitet man nun bei der Messung mit der einem
solchen Punkt entsprechenden Aussteuerung, so wird bei den beiden Temperaturen,
für die sich die Magnetisierungskurven in diesem Punkte schneiden, kein Unterschied
in der Anzeige auftreten. Liegt die Magnetisierung unterhalb des Schnittpunktes,
so wird der Wechselstromwiderstand der Meßdosenwicklung mit steigender Temperatur
größer; arbeitet man dagegen oberhalb dieses Punktes, so wird der Wechselstromwiderstand
um so kleiner, je größer die Temperatur wird. Soll die Abweichung in einem Temperaturbereich
von t1 ... t2 möglichst klein sein, so liegt der günstigste Arbeitspunkt
so, daß für eine bestimmte Temperatur t zwischen t1 und t2 bei einer Steigerung
der Temperatur von t1 auf t der Wechselstromwiderstand steigt und bei einer weiteren
Steigerung von t nach 12 wieder um das gleiche Maß fällt. Der Temperaturfehler ist
also dann möglichst gering, wenn eine solche Aussteuerung der Meßdosenwicklung gewählt
wird, daß die Magnetisierung des Körpers der
Meßdose an der unteren
und an der oberen Grenze des Bereichs der Temperaturänderungen gleich groß ist.
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Wenn also z. B. die Änderung der Anzeige, innerhalb eines Temperaturbereichs
von -2o .°#:. . . , +6o' C möglichst gering sein soll, so wäre gemäß der Erfindung
eine Aussteuerung zu wählen, die dem Schnittpunkt der mit -2o' und +6o' bezeichneten
Kurven in Fig. i entspricht. In der Fig. i ist diese Aussteuerung durch die mit
o bezeichnete gestrichelte Linie angedeutet.
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Der Einfluß der Temperatur auf die Magnetisierung und insbesondere
auf die Sättigung ist ferner um so kleiner, je weiter die Arbeitstemperatur von
der Umwandlungstemperatur, dem sogenannten Curie-Punkt, entfernt ist. Man wird daher
möglichst Werkstoffe mit einem Curie-Punkt über 5oo ° verwenden.
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Bei Anschluß der Meßdosenwicklung an Wechselstrom kommt aber noch
ein weiterer Fehler hinzu, der besonders dann erhebliche Werte erreichen kann, wenn
der Körper der Meßdose massiv hergestellt oder zumindest` nicht fein genug unterteilt
wird, um die Bildung von Wirbelströmen zu vermeiden. Besonders bei massiven Stücken,
wie sie für Druckmeßkörper aus Festigkeitsgründen zweckmäßig sind, ist nicht der
ganze Querschnitt gleichmäßig mit Kraftlinien durchsetzt. Die Magnetisierung nimmt
vielmehr infolge der abschirmenden Wirkung der Wirbelströme nach innen zu immer
mehr ab. Der Grad der Abnahme ist abhängig von der Größe der Wirbelströme und diese
wieder von dem spezifischen Widerstand des Werkstoffes. ,je größer der spezifische
Widerstand ist, desto tiefer dringt die Magnetisierung in das Innere ein, desto
größer ist also der Fluß und mit ihm der Wechselstromwiderstand der Meßdosenwicklung.
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Da der spezifische Widerstand mit der Temperatur steigt, so steigt
damit auch der Wechselstromwiderstand proportional dem Ausdruck ,u # p
- f. Dabei ist ,u die wirksame Permeabilität, o der spezifische Widerstand
des verwendeten Werkstoffes und f die Frequenz des Wechselstromes. Damit diese Größe
temperaturunabhängig wird, muß der von. dem Widerstand herrührendeTemperatureinfluß
gleich groß, aber von umgekehrtem Vorzeichen sein wie der von der Permeabilität
herrührende. Die Erhöhung des spezifischen Widerstandes bei einer Zunahme der Temperatur
ist also gleichbedeutend mit einer Vergrößerung der wirksamen Permeabilität. Der
Arbeitspunkt, bei dem die geringste Temperaturänderung des Wechselstromwiderstandes
auftritt, liegt daher bei liöherer Induktion als der Punkt, bei dem die bei Gleichstrom
auftretende Induktion die gleiche bleibt. Er liegt um so höher, j e größer der Temperaturkoeffizient
des spezifischen Widerstandes im Vergleich zu der Temperaturveränderlichkeit der
wirksamen Permeabilität ist.
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Gemäß der Erfindung wird daher bei an Wechselstrom angeschlossenen
Meßdosen der ]Körper der Meßdose zweckmäßig aus einem ;Werkstoff hergestellt, bei
dem sich, zumindest bei einer bestimmten Magnetisierung, diese in dem gleichen Betrage,
aber mit entgegengesetztem Vorzeichen in Abhängigkeit von der Temperatur ändert
wie der spezifische Widerstand.
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Eine weitere Ursache für die bei Anschluß an Wechselstrom auftretenden
Temperaturfehler liegt in der Temperaturabhängigkeit des Ohmschen Widerstandes der
Meßdosenwicklung. Der Ohmsche Widerstand der zweckmäßig aus Kupfer hergestellten
Meßdosenwicklung addiert sich vektoriell mit dem Induktionswiderstand der Wicklung,
der bei massiven Stücken annähernd um 45' gegen den Ohmschen Widerstand in der Phase
verschoben ist. Bei dünneren Stücken, bei denen der Wirbelstromeinfluß geringer
ist, ist die Phasenverschiebung noch größer. In Fig. 2 bedeutet die Strecke 0A den
Ohmschen Widerstand und AB den Induktionswiderstand der Wicklung bei einem
starkwandigen Druckstück. Wenn eine Kraft auf den Körper der Meßdose wirkt, so vermindert
sich der Induktionswiderstand auf den Betrag AB,.
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Wenn nun die Meßdosenwicklung in dem einen Brückenzweige einer an
eine Wechselstromquelle angeschlossenen Brückenschaltung liegt, so ist die durch
die Verstimmung im Diagonälzweig der Brückenschaltung auftretende Spannung durch
das Produkt aus der Strecke BBl und der Stromstärke I in der Meßdosenwicklung gegeben.
Bei Erwärmung steigt der Ohmsche Widerstand der Wicklung auf den Wert 0A'. Wird
der Induktionswiderstand nun von der Temperatur nicht beeinflußt, so verschieben
sich die Punkte B und Bi des Vektordiagramms parallel zu der Änderung des Ohmschen
Widerstandes nach B' und B1'. In diesem Falle herrscht im Diagonalzweig der Brücke
bei unbelasteter Meßdose eine Spannung, die dem Produkt aus der Strecke BB' und
der Stromstärke I entspricht. Dies ergibt eine u. U. beträchtliche Verschiebung
des Nullpunktes an dem im Diagonalzweig liegenden Meßgerät. Dieser Fehler läßt sich
durch die sonst übliche Vorschaltung eines genügend hohen temperaturunabhängigen
Widerstandes nicht verringern.
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Ein einfaches, bekanntes Mittel, um den von den Änderungen des Ohmschen
Widerstandes der Meßdosenwicklung herrührenden Fehler zu beseitigen, besteht darin,
daß bei Verwendung einer Wechselstrom-Brückenschaltung in dem den Vergleichswiderstand
enthaltenden Brückenzweig ein temperaturabhängiger Widerstand derart angeordnet
ist, daß er im wesentlichen die Temperatur der Meßdose annimmt. Der Widerstand,
der zweckmäßig aus Kupfer hergestellt
wird, kann dann so bemessen
werden, daß bei Temperaturänderungen der Meßdosenwicklung die Stromstärke in dem
Diagonalzweige sich nicht oder nur unwesentlich ändert.
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Eine weitere Möglichkeit zur Beseitigung der Temperaturfehler, die
den Vorteil aufweist, daß sie nicht eine Kompensation der infolge der Temperaturänderungen
auftretenden Fehler bedeutet, sondern die Entstehung der Fehler an sich vermeidet,
besteht darin, daß der Körper der Meßdose mit zwei Wicklungen versehen wird, von
denen die eine einen Brückenzweig bildet, während die andere in Reihenschaltung
mit dem Meßgerät an einen Vergleichswiderstand angeschlossen ist,` und daß die in
der Primärwicklung der Meßdose fließende Stromstärke, vorzugsweise durch einen genügend
hohen Vorwiderstand, von den Temperaturänderungen der Meßdosenwicklung unabhängig
oder nahezu unabhängig gemacht wird.
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Man kann den Fehler aber auch dadurch von dem Meßgerät fernhalten,
daß man eine phasenabhängige Meßeinrichtung benutzt und ihre Erregerphase senkrecht
oder nahezu senkrecht zur Richtung des von dem Ohmschen Widerstand der Meßdosenwicklung
herrührenden Spannungsabfalls einstellt. Als phasenabhängiges Meßgerät kann ein
an einen fremderregten Synchronschalter angeschlossenes Gleichstrommeßgerät dienen
oder ein dynamometrisches Meßgerät, dessen Feldwicklung an eine entsprechende in
der Phase verschobene Spannung angeschlossen ist.
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Durch die im vorstehenden angegebenen Maßnahmen ist es möglich, den
Nullpunkt der Anzeige von der Temperatur unabhängig zu machen. Im allgemeinen bleibt
aber auch in diesem Falle noch eine Temperaturabhängigkeit der Anzeige des Meßgerätes
bei Belastung der Meßdose bestehen. Die Magnetisierungskurve des gepreßten Werkstoffes
ändert sich mit der Temperatur nämlich nicht in genau dem gleichen Maße wie die
des ungepreßten Werkstoffes. Im allgemeinen bringt eine Erwärmung eine Erhöhung
der Empfindlichkeit, also eine Vergrößerung der Meßgerätanzeige mit sich. Man kann
diesen Fehler dadurch beseitigen, daß man in den Meßgerätkreis einen zusätzlichen
temperaturabhängigen Vorwiderstand legt, der die gleiche Temperatur annimmt wie
die Meßdose. Dieser Widerstand wird zweckmäßig aus Kupfer hergestellt und in bifilarer
Wicklung auf oder in dem Dosenkörper angebracht. Die Empfindlichkeitssteigerung
ist durch diese Maßnahme dann ausgeglichen, wenn durch den Kupferwiderstand der
wirksame Widerstand des gesamten Meßgerätkreises durch die Erwärmung in dem gleichen
Maße steigt wie die Empfindlichkeit.
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In den Fig. 3 ... 8 sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
in Form von Schaltbildern dargestellt. Dabei handelt es sich durchweg um Wechselstrom-Brückenschaltungen.
In sämtlichen Figuren ist die in einem der Brückenzweige liegende Meßdosenwicklung
mit = bezeichnet, mit 2 ein zweckmäßig ähnlich wie die Meßdose gebauter Vergleichswiderstand
und mit 3 und 4 Ohmsche Widerstände in den übrigen Brückenzweigen. An den Verbindungspunkten
zwischen 3 und 4 bzw. i und 2 ist -die Brückenschaltung an die Klemmen zs, v eines
Wechselstrom- oder Drehstromnetzes angeschlossen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist in den den Vergleichswiderstand
2 enthaltenden Brückenzweig in bekannter Weise ein Kupferwiderstand 5 eingeschaltet,
der in die Meßdose derart eingebaut ist, daß er ihre Temperatur annimmt.
In dem Diagonalzweig a, b der Brükkenschaltung liegt ein Meßgerät 6. Bei
richtiger Wahl des Widerstandes 5 läßt es sich erreichen, daß bei Temperaturänderungen
der Meßdose das Potential an dem Punkt b in. der Brückenschaltung in dem gleichen
Maße steigt und fällt wie das Potential an dem Punkte a, so daß der Diagonalzweig
stromlos bleibt.
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Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der die Meßdose mit zwei getrennten
Wicklungen nach Art eines Transformators ausgerüstet ist. Die Primärwicklung i wird
von dem Magnetisierungsstrom durchflossen, und in der Sekundärwicklung 7 wird dann
nur die von dem Wechselfluß induzierte Spannung auftreten. Die Wicklung 7 ist einerseits
mit dem an die Klemme v angeschlossenen Brückenpunkt verbunden, andererseits in
Reihe mit dem Meßgerät 6 an den Punkt b angeschlossen. Wenn nun der in Reihe mit
der Primärwicklung i liegende temperaturunabhängige Widerstand 3 genügend hoch bemessen
ist, so ist die Stromstärke in der Wicklung i nahezu unabhängig von dem infolge
der wechselnden Temperatur der Meßdose schwankenden Widerstand der Wicklung i. Infolgedessen
ist auch der Fluß des Magnetfeldes in dem Körper der Meßdose und damit auch die
von diesem in der Sekundärwicklung 7 induzierte Spannung von der Temperatur der
Meßdose unabhängig. Somit wird auch die Anzeige des Meßgerätes 6 in der Nullage
von Temperaturänderungen der Meßdose nicht beeinflußt. .
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In Fig. 5 ist eine Schaltung dargestellt, bei der mit Hilfe eines
phasenabhängigen Meßgerätes nur die Komponente der Diagonalspannung gemessen wird,
die in der Phase um go ° gegen den infolge des Ohmschen Widerstandes der Meßdosenwicklung
auftretenden Spannungsabfall verschoben ist. Zu diesem Zweck ist an ein Drehstromnetz
za, v, w ein Phasenschieber 8 angeschlossen, mit dessen Hilfe die Phasenlage der
Erregerwicklung g eines z. B. als Zungengleichrichter ausgebildeten Synchronschalters
beliebig eingestellt werden kann. Der Kontakt io des Zungengleichrichters ist in
Reihe mit
einem Gleichstrommeßgerät ii zwischen die Diagonalpunkte
a, b geschaltet. Bei richtiger Einstellung des Phasenschiebers wird die Anzeige
des Meßgerätes ii unabhängig von den durch Temperaturschwankungen bewirkten Änderungen
des Ohmschen Widerstandes der MeßdosenwiCklung. Bei Einweggleichrichtung kann der
Gleichrichter auch parallel zum Meßgerät liegen. An Stelle eines Zungengleichrichters
könnte auch ein fremderregter Synchronschalter anderer Bauart, z. B. auch ein fremdgesteuerter
Sperrschichtgleichrichter, benutzt werden. .
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Fig. 6 zeigt eine Schaltung, bei der als phasenabhängiges Meßgerät
ein Dynamometer verwendet wird, dessen Drehspule i, in dem Diagonalzweig
a, b liegt. Um die gewünschte Phasenverschiebung von go ° zu erhalten, ist
die Feldwicklung 13 des Dynamometers an die Klemmen w und o des Drehstromnetzes
angeschlossen, an dessen Klemmen 2s, v die Brückenschaltung liegt.
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In den Fig. 7 und 8 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
bei denen auch eine gegebenenfalls noch bei Belastung der Meßdose auftretende Temperaturabhängigkeit
der Anzeige ausgeglichen ist.
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Zu diesem Zweck ist bei der in Fig. 7 angegebenen Schaltung in Reihe
mit der ähnlich der Anordnung nach Fig. q. vorgesehenen Sekundärwicklung 7 der Meßdose
ein in diese eingebauter Kupferwiderstand 14 geschaltet. Auch der Vergleichswiderstand
2 ist ebenso wie die Meßdose mit einer Sekundärwicklung 15 versehen, und das Meßgerät
6 ist, gegebenenfalls unter Vorschaltung eines MTiderstandes 16, mit den Sekundärwicklungen
15 und 7 sowie mit dem Kupferwiderstand 14 in Reihe geschaltet. Die von Temperaturänderungen
hervorgerufenen Abweichungen der Nullanzeige des Meßgerätes werden durch die Anordnung
der Sekundärwicklung 7 gemäß Fig. q. vermieden. In gleicher Weise wirkt auch die
Sekundärwicklung 15 der Vergleichsinduktivität. Die Empfindlichkeitsänderungen werden
durch den temperaturabhängigen Widerstand 14 kompensiert, der zu diesem Zwecke in
geeigneter Weise bemessen werden kann.
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Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt der Ausgleich
der Anzeigefehler in der Nullage durch Verwendung eines phasenabhängigen Meßgerätes
in Form eines Synchronschalters, dessen Kontakt io ähnlich wie in Fig. 5 in Reihe
mit einem Gleichstrommeßgerät, gegebenenfalls unter Vorschaltung eines Widerstandes
16, in der Meßdiagonale liegt. Die Erregerwicklung g des Synchronschalters ist zwecks
Phaseneinstellung um go °, ähnlich wie die Feldwicklung des Dynamometers in Fig.
6, an die Klemmen w und o eines Drehstromnetzes angeschlossen. Zur Kompensation
des Temperatureinflusses auf die Anzeige des Meßgerätes bei Belastung der Meßdose
dient ein in diese eingebauter, in den Diagonalzweig eingeschalteter, geeignet bemessener
Kupferwiderstand 17.
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Die vorstehend für den Spezialfall einer Wechselstrombrücke mit Vergleichsinduktivität
gezeigten Verbesserungen lassen sich sinngemäß auch auf andere Brückenschaltungen
übertragen, ohne dadurch vom Wesen der Erfindung abzuweichen. So zeigt- Fig, g z.
B. eine Schaltung mit temperaturkompensiertem Nullpunkt nach dem Prinzip der Maxwell-Brücke.
Die Schaltung und Wirkungsweise entspricht hierbei der Fig. q, nur tritt an Stelle
der Vergleichsinduktivität z ein Kondensator 17 mit Parallel- oder Reihenwiderstand
18 im Gegenzweig zur Meßdose 1, 7. In den anderen Brückenzweigen liegt j e ein Kondensator
3 und ig.