DE1673439A1 - Eddy current speedometer with constant field excitation - Google Patents
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Description
Wirbelstromgeschwindigkeitsmesser mit Gleicheflderregung Die Erfindung betrifft einen Wirbelstromgeschwindigkeitsmesser mit Gleichfelderregung, bei dem ein eng begrenztesortsfestes, magnetisches Gleichfeld eine mit der zu messenden Geschwindigkeit sich-bewegende Metallscheibe senkrecht durchsetzt-und darin Wirbelströme induziert.Eddy current velocity meter with equal field excitation The invention relates to an eddy current velocity meter with constant field excitation in which a narrow, fixed, constant magnetic field one with the one to be measured Speed-moving metal disc interspersed vertically-and in it eddy currents induced.
Die berührungslose Messung von Linear-und Winkelgeschwindigkeiten ist eine sehr häufige Aufgabe im Bereich des Maschinenbaus und damit verwandter Gebiete. Dabei werden insbesondere bei der Analyse von schnellen Bewegungsabläufen an Maschinenteilen Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen benotigt, die neben einem genügend kleinen Meßfehler eine besonders hohe Grenzfrequenz besitzen.The non-contact measurement of linear and angular velocities is a very common task in the field of mechanical engineering and related tasks Areas. This is particularly important when analyzing fast motion sequences speed measuring devices required on machine parts, which in addition to a sufficient small measurement errors have a particularly high cutoff frequency.
Bekanntlich kann die Linear-und Winkelgeschwindigkeit sich bewegender Maschinenteile dadurch berührungslos ermittelt werden, daß eine mit dem Maschinenteil verbundene Metallacheibe in den Luftspalt eines ortsfesten Permanentmagneten hineinragt und die durch die in der bewegten Metallscheibe fließenden Wirbelströme auf den Permanentmagneten wirkende Kraft gemessen wird.As is well known, the linear and angular velocity can be moving Machine parts are determined in a contactless manner that one with the machine part connected metal disk protrudes into the air gap of a stationary permanent magnet and the eddy currents flowing through the moving metal disk on the Permanent magnets acting force is measured.
G. Budnick verwendet dieses Verfahren zur Messung von Lineargeschwindigkeiten an Werkzeugmaschinen. (Budnick, G. : Das Messen von Geschwindigkeiten an Werkzeugmaschinen, VDI-Forschungsheft 470). Mit dem Maschinenteil, dessen Lineargeschwindigkeit gemessen werden soll, ist ein Metallband verbunden, das in den Luftspalt eines drehbeweglich gelagerten Permanentmagneten taucht.G. Budnick uses this method to measure linear velocities on machine tools. (Budnick, G.: Measuring speeds on machine tools, VDI research booklet 470). With the machine part whose linear speed is measured is to be, a metal band is connected, which rotates in the air gap of a stored permanent magnet emerges.
Die Drehachse des Permanentmagneten ist so angeordnet, daß die Wirbelstroskräfte ein auf den Permanentmagneten wirkendes Drehmoment erzeugen. Die Größe des Drehmomentes wird mit einer als.The axis of rotation of the permanent magnet is arranged so that the eddy forces generate a torque acting on the permanent magnet. The size of the torque comes with an as.
"elektrische Feder"bezeichneten elektrischen Anordnung gemessen."Electric spring" designated electrical arrangement measured.
Diese liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das ein Maß für die Lineargeschwindigkeit des Maschinenteiles ist. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die große Störanfalligkeit gegenüber Erschütterungen sowie der sehr große apparative Aufwand.This provides an electrical output signal that is a measure of the Is the linear speed of the machine part. This arrangement is disadvantageous the great susceptibility to vibrations and the very large apparatus Expenditure.
Das Auftreten der Wirbelstromkräfte nützen auch die Wirbelstromdrehzahlmesser aus, die über die Winkelgeschwindigkeit eines mit der Antriebswelle verbundenen umlaufenden Metallbechers die Drehzahl der Welle messen. Der Metallbecher ragt hierbei in den Luftspalt eines drehbeweglich gelagerten und entsprechend konstruktiv durchgebildeten Permanentmagneten und übt auf diesen ein Drehmoment aus, welches der Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle proportional ist und dem ein durch eine Spiralfeder erzeugtes Drehmoment entgegenwirkt. Dadurch verdreht sich der Permanentmagnet gegen die Ruhelage, und die Grole dieser Verdrehung ist ein Maß für die Drehzahl der Antriebswelle. Bei den neueren Ausführungen ist in vielen Fällen der Permanentmagnet der umlaufende Teil. Einen umfassenden Überblick über die Wirbelstromdrehzahlmesser gibt Richter (Richter, B. : Wirbelstromdrehzahlmesser, ATM J 162-7). Ein schwerwiegender Nachteil dieser Gerate ist, daß die Frequenzgrenze außerordentlich niedrig liegt. Es ist weiterhin nur sehr umständlich möglich, ein elektrisches Ausgangssignal für die Meßgröße zu erhalten.Eddy current tachometers also benefit from the occurrence of eddy current forces from that of the angular velocity of a connected to the drive shaft measure the speed of the shaft with a rotating metal cup. The metal cup protrudes here in the air gap of a rotatably mounted and correspondingly constructed Permanent magnets and exerts a torque on them, which is the angular velocity the drive shaft is proportional and the one generated by a spiral spring Counteracts torque. As a result, the permanent magnet rotates against the rest position, and the magnitude of this twist is a measure of the speed of the drive shaft. With the newer designs, the permanent magnet is in many cases the rotating one Part. Richter gives a comprehensive overview of the eddy current tachometers (Richter, B.: Eddy current tachometer, ATM J 162-7). A serious disadvantage of these devices is that the frequency limit is extremely low. It is an electrical output signal for the To obtain measurable variable.
Einen ganz anderen Weg zur Ermittlung der Linear-und Winkelgeschwindigkeit beschreiten die Wirbelstromverfahren-, bei denen an Stelle einer Gleichfelderregung eine Wechselfelderregung benutzt wird. Diese Geräte bestehen im wesentlichen aus einer Metallseheibe, die mit dem sich bewegenden Maschinenteil verbunden ist und in der ein ortsfestes magnetisches WechselfeldWirbelströme induziert. Durch die Bewegung der Metallscheibe w-ird dasursprünglichemagnetischeFeldderWirbelstromeverzerrtund erzeugt in ortsfesten Empfangsspulen. eine drehzahlproportionale Wechselspannung. Schon bei Stillsta. nd. der Scheibe wird in den Empfangsspuleneine Wechselspannung induziert. Diese Wechselspannung mu# durch eine geeignete Anordnung zweier oder mehrerer Spulen und durch andere konstruktive Maßnahmen kompensiert werden. Seinen besonderen Einsatz hat dieses Meßverfahren in der Ausbildung als Drehzahlme#gerät gefunden (Oesterlin, W. : Verfahren und Gerãte zur Messung der Dréhzahl*-ATM V 145-7 ; Rohrbach, Chr. : Das Rotationeter..., VDI-Zeitschrift 105 (1963) 12, S. 495 ; DRP 758 835 ; DBP 870 919 DBP 1064 739 ; DBP'1087 383).A completely different way of determining the linear and angular velocity tread the eddy current process, in which instead of a constant field excitation an alternating field excitation is used. These devices essentially consist of a metal washer that is connected to the moving machine part and in which a stationary alternating magnetic field induces eddy currents. Through the Movement of the metal disc will distort the original magnetic field of the eddy currents generated in stationary receiving coils. an alternating voltage proportional to the speed. Already at Stillsta. nd. the disc is in the Receiving coil one AC voltage induced. This alternating voltage must be arranged in a suitable manner two or more coils and compensated by other design measures will. This measuring method has its special application in the training as RPM measuring device found (Oesterlin, W.: Method and devices for measuring the Speed * -ATM V 145-7; Rohrbach, Chr .: Das Rotationeter ..., VDI-Zeitschrift 105 (1963) 12, p. 495; DRP 758 835; DBP 870 919 DBP 1064 739; DBP'1087 383).
Da die Grenzfrequenz bei den o. a. Geräten in jedem Fall nur ein Bruchteil der Frequenz des Erregerweehselfeldes ist, ist man deshalb zur Erreichung einer hohen zeitlichen Auflösung gezwungen, die Frequenz des Erregervechselfeldes sehr hoch zu wählen. Dies führt aber zu erheblichen konstrukt-iven Schwierigkeiten, besonders hinsichtlich der Kompensation der Störwechselspannung im Stillstand. Da die Große-der Störwechselspannung außerdem von der Stellung der Metallscheibe im Erregerwechselfeld abhängig ist, ergibt sich bei den o. g. Geräten ein kaum zu kompensierender Nullpunktfehler.Since the cut-off frequency for the above Devices in any case only a fraction the frequency of the exciter field is, one is therefore to achieve a high temporal resolution forced the frequency of the alternating excitation field very to choose high. But this leads to considerable constructive difficulties, especially with regard to the compensation of the interfering alternating voltage at standstill. Because the big-the Interference alternating voltage also depends on the position of the metal disc in the alternating exciter field is dependent, results from the above. Devices have a zero point error that can hardly be compensated.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine-konstruktiv und apparativ einfache Einrichtung zur Messung der Linear-und Winkelgeschwindigkeit mit hoher zeitlicher Auflösung zu schaffen, die unempfindlich gegen mechanische Erschütterung ist und durch Vermeidung der bei Wechselfelderregung auftretende Meßfehler eine geringere Meßunsicherheit besitzt.The invention is based on the object of a constructive and apparatus-related simple device for measuring the linear and angular velocity with high to create temporal resolution that is insensitive to mechanical shock is and by avoiding the measurement errors that occur with alternating field excitation has lower measurement uncertainty.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein ortsfestes, eng begrenztes, magnetisches Gleichfeld eine mit der zu messenden Geschwindigkeit sich bewegende Metallscheibe senkrecht durchsetzt und die durch die entstehenden Wirbelströme bewirkte Verschiebung des resultierenden magnetischenFeldesinBewegungs'-richtung mit Eilfe einer aus zywei-maagnetischen Einzelsönden oder einem Vielfachen von zwei Einzelsonden bestehenden Differenzsonde als Itaß für die Geschwindigkeit ermittelt wird.The object is achieved according to the invention in that a stationary, narrowly limited, constant magnetic field one with the speed to be measured moving metal disc interspersed vertically and the resulting Eddy currents caused a shift of the resulting magnetic field in the direction of movement with the aid of one of two magnetic single sons or a multiple of two Individual probes existing differential probe determined as an Itass for the speed will.
Als magnetische Sonden sind grundsätzlich alle Verfahren zur Messung magnetischer Felder (z. B. Hallsonden, Sonden mit magnetisierbarem Kern, Kernresonanzsonden usw.) geeignet.In principle, all methods of measurement are used as magnetic probes magnetic fields (e.g. Hall probes, probes with a magnetizable core, nuclear magnetic resonance probes etc.) suitable.
Wegen der meßtechnischen. Vorteile von Widerstandsmessungen werden in einer weiteren Ausbildung der Erfindung als Einzelsonden magnetfeldabhängige Widerstände benutzt und diese so zusammengeschaltet, daß die Differenzsonde eine Halb-oder Vollbrücke bildet, wobei die Brückenausgangssparinung ein Maß für die Geschwindigkeit ist.Because of the metrological. Benefits of resistance measurements will be in a further embodiment of the invention as individual probes dependent on the magnetic field Resistors used and these interconnected so that the difference probe a Half or full bridge forms, the bridge output saving a measure of the Speed is.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben : Eine Einrichtung zum Messen von Lineargeschwindigk-eiten zeigen die Figuren 1 und 2, welche Schnitte durch den mechanischen Aufbau wiedergeben, sowie Figur 3 die die elektrische Schaltungsanordnung angibte Mit 1 ist ein Band aus elektrisch leitendem Material bezeichnet, das in geeigneter Weise mit dem sich bewegenden Maschinenteil verbunden ist. Das Band 1 ragt in den Luftspalt zweier Permanentmagneten 4 und 5 hinein, die über einen Weicheisenrückschluß 6 miteinander verbunden sind. Auf dem Südpol des Permanentmagneten 5 sind zwei magnetfeldabhängige Widerstände 2 und 3 angebracht, deren elektrische Anschlüsse mit 8 bezeichnet sind. Ein mit einem Schlitz versehener weichmagnetischer Schirm 7 umgibt die Anordnung. Die magnetfeldabhängigen Widerstände 2 und 3 sind mit den einstellbaren Widerständen R1 und R2 zu einer Brücke vereinigt, die aus einer Gleichspannungsquelle mit der Spannung Ub gespeist wird.Two exemplary embodiments of the invention are described in greater detail below described: A device for measuring linear speeds show the Figures 1 and 2, which show sections through the mechanical structure, and FIG. 3, which indicates the electrical circuit arrangement. With 1, a band is made of electrical Conductive material that is appropriate to the moving machine part connected is. The band 1 protrudes into the air gap between two permanent magnets 4 and 5 inside, which are connected to one another via a soft iron yoke 6. On the The south pole of the permanent magnet 5 are two magnetic field-dependent resistors 2 and 3 attached, whose electrical connections are denoted by 8. One with a slot provided soft magnetic screen 7 surrounds the arrangement. The magnetic field dependent Resistors 2 and 3 form a bridge with the adjustable resistors R1 and R2 combined, which is fed from a DC voltage source with the voltage Ub.
Bei Stillstand des Bandes 1 werden in ihm keine Wirbelstrome induziert, und der elektrische Widerstand der magnetfeldabhängigen Widerstände 2 und 3 stellt sieh nur nach der Größe der Erregerfeldstärke im Luftspalt ein. Die in Figur 3 gezeigte Brücke wird nun durch Ändern der Widerstände R1 und R2 so abgeglichen, daß die Ausgangsspannung UA zu Null wird. Bewegt sich nun das Band 1 mit der Geschwindigkeit v in der eingezeichneten Richtung, so b tritt durch die jetzt induzierten Wirbelströme vor dem magnetfeldabhängigen Widerstand 2 eine Schwächung und hinter dem magnetfeldabhängigen Widerstand 3 eine Stärktung des ursprünglichen magnetischen Erregerfeldes auf. Dadurch wird der Widerstand 2 kleiner und der Widerstand 3 gober, Die Brücke gerät aus dem Gleichgewicht und gibt eine elektrische Ausgangsspannung UA ab, die ein Maß für die Lineargeschwindigkeit v des Bandes 1 ist.When belt 1 is at a standstill, no eddy currents are induced in it, and the electrical resistance of the magnetic field-dependent resistors 2 and 3 represents just look at the size of the excitation field strength in the air gap. The one shown in FIG Bridge becomes now adjusted by changing the resistors R1 and R2 so that that the output voltage UA becomes zero. Now the belt 1 moves with the speed v in the direction shown, so b occurs through the now induced eddy currents a weakening in front of the magnetic field-dependent resistor 2 and behind the magnetic field-dependent one Resistance 3 strengthens the original magnetic excitation field. Through this If the resistance 2 becomes smaller and the resistance 3 gober, the bridge gets out of the Equilibrium and emits an electrical output voltage UA, which is a measure for the linear speed v of the belt 1 is.
Sind die Eigenschaften der magnetfeldabhängigen Widerstände 2 und 3 einander gleich, so ergeben äußere homogehe Magnetfelder keine Meßfehler. Der Einfluß der Temperatur auf das Meßergebnis kann durch Verwendung eines Bandes 1 aus einem Material mit kleinem Temperaturkoeffizienten, vie Manganin, weitgehend ausgeschaltet werden.Are the properties of the magnetic field dependent resistors 2 and 3 are equal to each other, external homogeneous magnetic fields do not result in measurement errors. Of the Influence of the temperature on the measurement result can be determined by using a tape 1 made of a material with a low temperature coefficient, such as Manganin, largely turned off.
Eine Einrichtung zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten zeigen die Figuren 4 und 5, die Schnitte durch die Einrichtung darstellen, sowie die Figur 6, die die elektrische Anordnung der einzelnen Elemente angibt. An einer kreisrunden Metallscheibe 12 ist in der Mitte eine Achse. 15 angebracht, die in einem Gehäuse 14 gelagert ist. An der Achse 15 befindet sich ein Flansch 16,, mit dem das Gerät an das freie Ende eines umlaufenden Teils angeschraubt werden kann. Das Gehäuse 14 wird mit einem Deckel 13 verschlossen. Die Metallscheibe 12 taucht in den Luftspalt eines Permanentmagneten 11 ein. Auf dem einen Pol des Permanentmagneten sind zwei magnetfeldabhängige Widerstände 9 und 10 angebracht (siehe Figur 5). Die elektrischen Zuleitungen zu den Widerständen 9 und 10 sind über eine nicht gezeigte Buchse von außen erreichbar. Die magnetfeldabhängigen Widerstände 9 und 10 werden mit den ohmschen Widerständen R1 und R2 zu einer Brücke zusammengeschaltet, die aus einer Gleichspannungsquelle mit der Spannung Ub gespeist wird.A device for measuring angular velocities is shown in the Figures 4 and 5, which represent sections through the device, as well as the figure 6, which indicates the electrical arrangement of the individual elements. On a circular one Metal disk 12 is an axis in the middle. 15 mounted in a housing 14 is stored. On the axis 15 there is a flange 16, with which the device can be screwed to the free end of a rotating part. The case 14 is closed with a lid 13. The metal disk 12 is immersed in the air gap a permanent magnet 11. On one pole of the permanent magnet there are two Magnetic field-dependent resistors 9 and 10 attached (see Figure 5). The electric Leads to the resistors 9 and 10 are via a socket (not shown) from accessible from outside. The magnetic field-dependent resistors 9 and 10 are ohmic Resistors R1 and R2 are connected together to form a bridge from a DC voltage source is fed with the voltage Ub.
Die Wirkungsweise der Anordnung gleicht im Prinzip der oben beschriebenen und zur Messung von Lineargeschwindigkeiten benutzten. Bei Stillstand der Metallscheibe 12 wird die Brücke durch Verändern des Widerstandes R1 so abgeglichen, daß die Brückenausgangsspannung UA Null ist. Beim Umlaufen der Metallscheibe 12 wird das ursprüngliche Erregergleichfeld des =Permanentmagneten verzerrt, und diese Verzerrung bewirkt eW e Anderung des Widerstandes der magnetfeldabhängigen Widerstände 9 und 10. Die Brücke gerät dadurch aus dem Gleichgewicht und liefert eine Ausgangsspannung UA, deren Größe ein Maß ur die Winkelgeschwindigkeit ist.The mode of operation of the arrangement is basically the same as that described above and used to measure linear velocities. When the metal disc comes to a standstill 12 the bridge is balanced by changing the resistor R1 so that the bridge output voltage UA is zero. When the metal disk 12 revolves, the original excitation field is applied des = permanent magnets distorted, and this distortion causes eW e change of the Resistance of the magnetic field-dependent resistors 9 and 10. The bridge is thereby out of balance and provides an output voltage UA, the size of which is a measure ur is the angular velocity.
Mit dieser Anordnung sind auch Drehzahlen, insbesondere schnelle Drehzahlschwankungen meßbar.With this arrangement there are also speeds, in particular rapid speed fluctuations measurable.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sie gegenüber den bisherigen Anordnungen eine wesentlich höhere Grenzfrequenz besitzt, sehr einfach im Aufbau und im Abgleich des Nullpunktes sowie unempfindlich gegenüber äußeren Erschütterungen istaThe advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that they have a much higher cut-off frequency than the previous arrangements has a very simple structure and adjustment of the zero point and is insensitive against external vibrations ista
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