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Elektrische Längenmeßeinrichtung Zur Durchführung genauer Längenmessungen
ist es erforderlich, diese entweder in einem klimatisierten Raum bei 200 C abzuwickeln
oder die bei abweichender Temperatur gewonnenen Ergebnisse nachträglich auf 200
C umzurechnen. Dies ist kostspielig und umständlich. Andererseits müssen in zunehmendem
Umfang genaue Längenmessungen, insbesondere kleinster Längenunterschiede von wenigen
1/JOOO mm, in Werkstatträumen ausgeführt werden, wo keine Möglichkeit besteht, diese
auf 200 C zu beziehen. Besondere Schwierigkeiten bereiten hier Längenmeßeinrichtungen,
die z. B. mit Endmaßen auf ein bestimmtes Sollmaß eingestellt werden und nun nur
noch die Abweichungen von diesem Sollmaß mit Hilfe eines Feintasters bestimmen.
Die zu messenden Längenunterschiede sollen auf t/sooo oder t/roooo mm genau ermittelt
werden. In dieser Größenordnung liegen aber auch bereits die Längenänderungen der
gesamten Meßeinrichtung, insbesondere des Meßständers und des zu prüfenden Werkstückes,
unter dem Einfluß der Umgebungstemperatur, die von 200 C abweicht.
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Es ist nun eine elektrische Induktionsmeßlehre bekannt, die aus einer
Meßspule mit darin verschiebbarem Tauchkern besteht. Diese Meßspule liegt mit einer
einstellbaren zweiten Spule in einer Brücke schaltung, die von einem Wechselstrom
mit 50 Hz gespeist wird. Im Brückenzweig ist ein Anzeigeinstrument mit einem vorgeschalteten
Gleichrichter angeordnet. Verstellungen des Tauchkernes verursachen eine Induktionsänderung
der Meßspule und dadurch wiederum einen verschiedenen Ausschlag des Anzeigeinstrumentes.
Um bei dieser Anordnung Änderungen der Umgebungstemperatur zu berücksichtigen, sind
in Reihe mit der zweiten Spule in der Brücke Ohmsche Widerstände angeordnet, die
eine Kompensation des von der Temperaturänderung herrührenden Ausschlages am Anzeigeinstrument
bewirken sollen. Diese Widerstände können entweder selbst temperaturabhängig sein,
oder sie sind mit Anzapfungen versehen, die zu einem Stufenschalter geführt sind.
Die den Anzapfungen entsprechenden Teilwiderstände sind Temperaturänderungen von
beispielsweise 20 proportional. Wenn sich die Umgebungstemperatur der Induktionsmeßlehre
beispielsweise von 20 auf 26° ändert, dann wird der Stufenschalter für die Temperaturkompensation
um drei Stufen weiter auf 26° gestellt.
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Sofern nicht von den erwähnten temperaturabhängigen Widerständen
Gebrauch gemacht werden kann. hat diese Einrichtung den Nachteil, daß die Berücksichtigung
der Temperaturänderung nicht selbsttätig erfolgt, sondern daß der Prüfer den Stufenschalter
bedienen muß. der von 2 zu 20 geeicht ist. Ein weiterer grundlegender Nachteil besteht
aber in der Ver-
wendung Ohmscher Widerstände zur Temperaturkompensation einer induktiven
Meß lehre, da Ohmsche Widerstände in einer Wech&elstrom-Meßbrücke infolge ihres
fehlenden Einflusses auf die Phasenlage unwirksam werden, wenn das induktive Meßsystem
einigermaßen verlustarm aufgebaut ist. Nur in dem Sonderfall eines induktiven Meßsystems,
dessen Ohmscher Widerstand sehr viel größer als der induktive Widerstand ist und
bei dem im Anzeigekreis nur auf einem Seitenast der Brücke mit reiner Amplitudengleichrichtung
gearbeitet wird, besteht die Möglichkeit, in gewissen Grenzen den Temperatureinfluß
mit Ohmschen Widerständen zu kompensieren. Ein solcher Fall liegt bei der obenerwähnten
bekannten elektrischen Induktionsmeßlehre vor. Aber auch hier ist die Einstellung
der Temperaturkompensation nicht sehr einfach, da man unter Umständen zwei Kompensationsglieder
einzeln auf die richtigen Werte bringen muß.
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Diese Nachteile vermeidet die selbsttätige Kompensation der Umgebungstemperatur
des im folgenden beschriebenen elektrischenLängenmeßgerätes. Siebesteht aus temperaturabhängigen,
die Instrumentenanzeige berichtigenden Kompensationsgliedern, die parallel oder
in Reihe zu dem elektromechanischen Wandler für die Längenmeßeinrichtung geschaltet
sind und die eine Phasenverschiebung von 00, 1800 oder e;in vielfaches von 1800
bewirken, vorzugsweise in der Ausführung eines temperaturabhängigen Differentialkondensators
oder eines mit kapazitiven oder induktiven Einrichtungen versehenen Bimetallstreifens.
Die Abbildung zeigt eine beispielsweise Ausführung des Gegenstandes der Erfindung.
Das in seiner Dicke zu messende Werkstück 1 liegt auf dem Meßtisch des Meßständers
2 unter dem elektrischen Meßtaster 3.
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Dieser berührt mit seinem Tastbolzen 4 das Werkstück 1 und überträgt
dessen Dickenunterschied auf den elektromechanischen Wandler 5, 6, 7, der zwei Induktionsspulen
6 und 7 mit einem in den Spulen verschiebbaren
ferromagnetischen
Kern 5 umfaßt. Durch die Verschiebung des Tastbolzens 4 und Kernes 5 nimmt die Impedanz
der Spule 6 beispielsweise zu und der Spule 7 ab, was iiber die elektrische Meßeinrichtung
11 zu einer Anzeige auf dem Insrument 12 führt.
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Diese Anzeige ist der Dickenänderung des Werkstückes 1 proportional.
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Diese induktive Meßlehre ist nun vor allem dadurch gekennzeichnet,
daß der induktive elektromechanische Wandler 5, 6, 7 möglichst verlustfrei aufgebaut
ist, d. h. eine hohe Induktivität bei einem nur geringen Ohmschen Widerstand besitzt.
Die Speisung erfolgt durch einen Wechselstrom höherer Frequenz, und die Arbeitsweise
erfolgt auf zwei Brückenästen, d. h., der Nullpunkt des Anzeigeinstrumentes 12 entspricht
dem elektrischen Nullabgleichspunkt der Brücke. Um dies zu erreichen, sind in der
elektrischen Meßeinrichtung 11 die ergänzenden Brückeninduktivitäten 16 und 17,
ein Generator 18 für einen Wechselstrom höherer Frequenz, ein Meßbereichsregler
20, ein Verstärker 19, eine phasenempfindliche Gleichrichterbrücke 21 und ein Phasenschieberglied
25 angeordnet. Durch die Verwendung der an sich bekannten phasenempfindlichen Gleichrichterbrücke
21 wird erreicht, daß das Anzeigeinstrument 12 nach Minus ausschlägt, wenn der Meßtaster
4 ein Untermaß feststellt bzw. wenn die Brücke 6, 7, 16, 17 durch Null geht, wodurch
sich die Phasenlage des Wechselstromes, der die Gleichrichterbrücke durchfließt,
umkehrt. Mit einer solchen durch die Brücke Null arbeitenden elektrischen Meßeinrichtung
hat man den Vorteil, einen längeren linearen Meßbereich bzw. eine größere Empfindlichkeit
zu erzielen. Bei Umschaltung auf verschiedene Meßbereiche ändert sich der Nullpunkt
der Meßeinrichtung nicht, während bei Meßlellren, die nur auf einem Seitenast arbeiten,
Kompensationsspannungeu zusätzlich umgeschaltet werden müssen.
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Das wesentlich Neue bei dieser Meßeinrichtung besteht nun darin,
daß in dem Gehäuse des Meßtasters 3 zu den Spulen 6 und 7 parallel geschaltet ein
Differentialkondensator angeordnet ist, der aus den festen Belegen 8 und 9 und dem
verstellbaren Beleg 10 besteht. Zwischen beiden Belegen befindet sich ein dielektrisches
Material 26, welches seine Dielektrizitätskonstante unter dem Einfluß der Temperatur
sehr stark ändert. Es wird sich also die Kapazität des Kondensators 8, 9, 10, 26
in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur wesentlich verändern, was einen ebensolchen
Einfluß auf die Meßbrücke bewirkt.
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Dies bedeutet, daß die durch die Dickenänderung des Werkstückes 1
bewirkte elektrische Meßgröße in Abhängigkeit von der Außentemperatur gebracht wird.
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Dehnt sich also der Meßständer 2, das Werkstück 1 und der Tastbolzen
4 durch die Temperatur so aus, daß eine unrichtige Dicke des Werkstückes 1 angezeigt
würde, dann wird dieses unrichtige Maß durch den temperaturempfindlichen Kondensator
8, 9, 10, 26 so verändert, daß trotzdem das Instrument 12 unverändert das richtige
Maß anzeigt. Dieser ganze Vorgang wickelt sich selbsttätig ab, und es ist kein Stufenschalter
durch den Prüfer auf die Umgebungstemperatur einzustellen. Gegenüber den Indtil<tionsspulen
bewirkt der temperaturabhängige Kondensator ein Voreilen der Phase, die aber um
1800 versclloben ist, so daß der kompensierende Einfluß keine Phasendrehung besitzt,
die auf die phasenempfindliche Gleichrichtung ohne Einfluß wäre. Die Ausbildung
des temperaturabhängigen Kondensators als Difterential-Drehkondensator bringt -
schließlich den erheblichen Fortschritt, daß nur durch die Verstellung des ein-
zigen
Beleges 10 ein positiver oder ein negativer Temperaturgang mit jedem beliebigen
Zwischenwert zwischen Null und Maximum eingestellt werden kann.
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Der Abgleichvorgang ist außerordentlich einfach, da der Beleg 10
in dem Meßtaster 3 leicht verstellt werden kann. Man bringt die in der Abbildung
dargestellte Anordnung, bestehend aus einem Werkstück 1, Meßständer 2 und elektrischem
Meßtaster 3, in ein Gehäuse oder einen Raum, in dem sich verschiedene Temperaturen,
unter denen die Meßeinrichtung arbeiten soll, einstellen lassen. Man nimmt nun den
Temperaturgang dieser Meßeinrichtung auf und verstellt dann den Kondensator 8, 9,
10, 26 so, daß in dem interessierenden Temperaturbereich auch bei veränderlicher
Temperatur im Gehäuse sich die Anzeige auf dem Instrument 12 nicht ändert. Nimmt
man nun die Meßeinrichtung aus dem Gehäuse heraus, so kann man sie ohne weiteres
unter wechselnden Außentemperaturen benutzen. Die angezeigten Längenmaße sind dann
unabhängig von der Außentemperatur und bezogen auf eine Normaltemperatur von 200
C.
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Die Abbildung zeigt noch die Möglichkeit, mit einem Temperaturmeßfühler
14 die Umgebungstemperatur und insbesondere die Temperatur des Werkstückes 1 zu
messen und dadurch die elektrische Meßeinrichtung 11 zu korrigieren und zu beeinflussen.
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Ein weiterer Meßfühler 13 könnte auf eine geeignete Dehnungsänderungseinrichtung
15 im Meßständer 2 einwirken und diesen in Abhängigkeit von ratur verlängern oder
verkürzen.
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Auch die Ausbildung des elektromechanischen Wandlers 5, 6, 7 und
des Differentialkondensators 8, 9, 10, 26 stellt nur ein Anwendungsbeispiel dar.
Der elektromechanische Wandler könnte auch nach einem anderen geeigneten Prinzip,
insbesondere dem kapazitiven mit Kondensatoren statt Induktivitäten aufgebaut sein,
während der temperaturabhängige Kondensator dazu auch in Reihe statt parallel liegen
könnte. Weiterhin kann das temperaturempfindliche Glied 8, 9, 10, 26 ebenfalls anders
ausgebildet sein. Es könnte beispielsweise aus einem temperaturempfindlichen Bimetallstreifen
bestehen, dessen temperaturabhängige Bewegungen über kapazitive, induktive oder
sonst geeignete Mittel die im Meßtaster 3 erzeugte elektrische Meßgröße in Abhängigkeit
von der Temperatur beeinflussen.
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Die Anordnung ist hier für die Messung kleiner Längen- oder Dickenunterschiede
dargestellt. Sie kann sinngemäß auch bei allen anderen Meßeinrichtungen benutzt
werden, die eine mechanische Größe auf Grund einer Längenänderung messen, beispielsweise
bei Kräften, Dehnungen usw.