Ein neuer elektrischer Verdrehungsmesser. Von Dr.-Ing. Gg. Keinath, Charlottenburg. KEINATH: Ein neuer elektrischer Verdrehungsmesser. Uebersicht: Es wird ein elektrischer Verdrehungsmesser beschrieben, bei dem die Verdrehung zweier Wellenquerschnitte die Luftspaltänderung zweier Drosselspulen bewirkt. Es wird das Verhältnis der in beiden Spulen aufgenommenen Ströme gemessen und demzufolge ist die Anzeige unabhängig von Schwankungen der Hilfsspannung. Zur Bestimmung der von einer Dampfturbine an eine Welle abgegebenen mechanischen Leistung kommt praktisch nur die Messung mittels eines Dynamometers in Frage. Man geht dabei von der bekannten Tatsache aus, daß der Schubmodul für die in Frage kommenden Stahlsorten praktisch auf etwa 2 v. H. genau immer gleich groß ist und berechnet aus der gemessenen Winkelverdrehung zweier Wellenquerschnitte das übertragene Drehmoment. An Vorschlägen für die Ausführung solcher Apparate zur Messung der Verdrehung zweier Wellenquerschnitte hat es nicht gefehlt. Eine ziemlich vollständige Zusammenstellung ist gegeben in dem Buch von Nettmann„Der Torsionsindikator“ (Verlag W. Krayn).. Von den bekannt gewordenen Konstruktionen hat am meisten der Föttingersche Indikator in die Praxis Eingang gefunden; für die größeren Schiffe der deutschen Kriegsmarine war er vorgeschrieben. Im Laufe der Zeit hat der Apparat eine Reihe von Verbesserungen erfahren; trotzdem haben die Bemühungen, einen vollkommeneren Verdrehungsmesser zu schaffen, nicht aufgehört. Im besonderen ist es störend empfunden worden, daß die Angaben des Indikators nicht auf größere Entfernung sichtbar gemacht oder registriert werden können, daß vielmehr nur die Anzeige an der auf den Schiffen meist sehr schwer zugänglichen Welle vorgenommen werden kann, mit einem Wort, es wurde Fernanzeige verlangt. Dann war die mit dem Föttingerschen Apparat erzielte Genauigkeit vielfach nicht ausreichend bei den Drehmomentbestimmungen bei der „kleinen Fahrt“ der Kriegsschiffe. Es werden dabei Genauigkeiten gewünscht, insbesondere von dem Maschinenlieferanten, die praktisch wohl kaum erreicht werden können. Es sei einiges über die gestellte Aufgabe vorausgeschickt, und zwar an Hand eines Beispieles für die Welle eines Kreuzers mit einer Turbinenleistung von maximal 25000 PS, bei maximal 450 Umdrehungen in der Minute, an der auch Versuche mit dem neuen Verdrehungsmesser vorgenommen wurden. Die zur Verfügung gestellte Meßlänge auf der Welle betrug aus räumlichen Gründen nur 1,2 m. Der äußere Wellendurchmesser war 325 mm, das maximale Drehmoment betrug 60000 mkg, die Verdrehung am Umfange der Welle 2,5 mm. Die seitens der Werft von dem Verdrehungsmesser geforderte Genauigkeit von ± 1 v. H. für „kleine Fahrt“ ist derart, daß das Drehmoment auf rund 1/1000 des maximalen Wertes genau gegeben werden soll. Demnach ist anzustreben, daß die Verdrehungen selbst auf 0,003 mm genau gemessen sind. Dies ist aber wohl überhaupt nicht möglich, weil der beim Vorwärts- und Rückwärtslauf der Welle in der Welle zurückbleibende Betrag von Torsionsspannungen so erheblich ist, daß eine stete Veränderung der Nullage der Torsionsindikatoren um ein mehrfaches des genannten Wertes eintritt. Wenn nun auch vor und nach jeder genauen Messung eine Nullpunktsbestimmung gemacht wird, so bleibt doch die Tatsache übrig, daß die Unsicherheit des Nullpunktes immer noch einige pro Mille des Endwertes des Drehmomentes ausmacht. Bei den vorgenommenen Versuchen betrug das Restdrehmoment bis zu 500 mkg, bei Aenderung der Drehrichtung entsprechend einem Weg von 0,025 mm am Wellenumfang. War dies auch ein Höchstwert, so betrug die Nullpunktunsicherheit immer ± 200 mkg, entsprechend 0,3 v. H. des Höchstwertes oder 2 v. H. vom Drehmoment bei „kleiner Fahrt“. Immerhin kann aus der gestellten Aufgabe ersehen werden, daß die mechanische Ausführung auf das genaueste zu erfolgen hat, wenn die Versuche gelingen sollen. Auf Veranlassung des Reichsmarineamts hatten die Siemens-Schuckertwerke nach den Vorschlägen von Sarfert einen neuen elektrischen Verdrehungsmesser entworfen, der darauf beruht, daß auf den beiden Wellenquerschnitten zwei mit Gleichstrom fremderregte Hochfrequenzmaschinen aufgebaut sind, die so montiert sind, daß im spannungslosen Zustande der Welle die beiden erzeugten Spannungen genau um 90° phasenverschoben sind zueinander. Die Spannung wird zu einem elektrodynamischen Wattmeter geführt in der Weise, daß die eine an die feste, die andere in zweckentsprechender Weise an die bewegliche Spule des Instrumentes geführt wird. Das Instrument zeigt das Produkt beider Spannungen, mal dem Kosinus des Verschiebungswinkels; bei 90° Verschiebung gibt es also keinen Ausschlag. Ueberträgt nun die Welle mechanische Leistung, so werden die beiden Querschnitte und damit die Statoren der Hochfrequenzmaschine gegeneinander verdreht und die beiden erzeugten Wechselspannungen stehen nicht mehr aufeinander senkrecht. Das Wattmeter zeigt jetzt einen Ausschlag proportional dem Sinus des Verdrehungswinkels der beiden Wellenquerschnitte. Wählt man die Verhältnisse so, daß der maximale Verdrehungswinkel nur etwa 20 elektrische Grade beträgt, so erhält man auf etwa 1 v. H. genau vollkommene Proportionalität zwischen den Wattmeterausschlägen und der übertragenen Leistung. Diese Methode läßt durch Verwendung besonderer Instrumente und verschiedener Schaltung eine Reihe von Modifikationen zu in der Weise, daß entweder das Drehmoment gemessen wird oder die übertragene Leistung; schließlich erlaubt sie auch das Zählen der übertragenen PS-Stunden mittels eines elektrischen Zählers. Ein Nachteil dieser Methode ist aber die Verwendung zweier vollständiger Hochfrequenzmaschinen, die in der ersten Ausführung für eine Leistung von je 5 kW entworfen wurden. Die Anordnung würde zu kompliziert und zu teuer werden, und es wurde auf Veranlassung der Siemens-Schuckertwerke von dem Verfasser eine neue Methode zur Messung der Verdrehung von Wellen ausgearbeitet, die im nachfolgenden beschrieben ist: Es ist allgemein bekannt, daß bei einer eisengeschlossenen Drosselspule mit Veränderung des Luftspaltes eine ganz erhebliche Aenderung der Selbstinduktion, also auch der Stromaufnahme beim Anlegen einer konstanten Wechselspannung eintritt. Es genügt eine Aenderung von wenigen zehntel Millimetern, um eine Stromänderung im Verhältnis 1 : 4 hervorzurufen (Abb. 1). Diese Erscheinung zum Bau eines elektrischen Torsionsindikators zu benutzen, ist ein seit längerem bereits gemachter Vorschlag, der in dem erwähnten Buch von Nettmann als bester unter den elektrischen Torsionsmessern bezeichnet wird. Eine solche Drosselspule wird so montiert, daß je eine Hälfte mit einem der beiden Wellenquerschnitte verbunden ist; der Strom wird mittels zweier Schleifringe zugeführt. Diese Anordnung hat aber ganz erhebliche Nachteile aufzuweisen. Die Stromaufnahme, und damit das angezeigte Drehmoment, ist direkt proportional der Höhe der Hilfsspannung und umgekehrt proportional der Höhe der Frequenz des verwendeten Wechselstromes. Ferner hat die Methode den Nachteil, daß sie schon bei dem Drehmoment Null einen Zeigerausschlag geben muß, der selbst eine Funktion verschiedener Einflüsse ist, z.B. der Temperatur des Instrumentes oder der Frequenz des verwendeten Stromes. Dieser Ausschlag wird bei Uebertragung vom Drehmoment größer oder kleiner gemacht. Es kommen also zu den eigentlichen Meßfehlern noch die Instrumentfehler hinzu, so daß eine genaue Messung nicht zu erwarten ist. Schließlich wird auch die Skala eines solchen Instrumentes ungleichförmig geteilt. Die neue Anordnung besteht nun darin, nicht eine, sondern zwei Drosseln zu verwenden, mit zwei Luftspalten, die parallel an die Hilfsspannung angeschlossen und so angeordnet sind, daß bei Uebertragung von Leistung der eine Luftspalt größer, der andere kleiner wird. Gemessen wird nun nicht die absolute Größe des aufgenommenen Stromes, sondern das Verhältnis der Ströme in den beiden Drosseln mit einem noch zu beschreibenden Instrument. Es ist leicht einzusehen, daß dadurch die Mängel der einfachen Anordnung alle vermieden sind. Bei Steigerung der Spannung um beispielsweise 20 v. H. werden beide Ströme um 20 v. H. größer, das Verhältnis derselben bleibt aber unverändert. Ebenso tritt bei Aenderung der Frequenz, (wenn wir nur dafür sorgen, daß der induktive Spannungsabfall sehr groß ist gegenüber dem Ohmschen) nur eine Aenderung der Stromaufnahme ein, nicht aber eine Veränderung des Verhältnisses der beiden Ströme. Schließlich erhält man an den Anzeigeinstrumenten eine nahezu proportionale Teilung für das Drehmoment. Textabbildung Bd. 335, S. 266 Abb. 1. Selbstinduktion einer Drossel in Abhängigkeit vom Luftspalt. Die zur Anzeige des Verhältnisses der Ströme verwendeten Instrumente sind gleichfalls neuartig und sollen hier kurz beschrieben werden. Es sind dies Instrumente mit einem Dreheisensystem (oder Weicheneisensystem, wie es meist genannt wurde), bei denen ein Kern aus Eisen in eine stromdurchflossene Spule hineingezogen wird. Solche Instrumente sind mechanisch sehr widerstandsfähig und als Strom- und Spannungsmesser mit einer Feder oder einem Gewicht als Gegenkraft zu Zehntausenden in Verwendung. Setzt man nun auf eine, den Zeiger tragende Achse zwei solcher Meßwerke, und zwar in der Weise, daß das eine System den Zeiger nach rechts, das andere ihn nach links zu drehen versucht und entfernt alle äußeren Richtkräfte, so hat man damit ein Instrument zur Messung des Verhältnisses zweier Ströme. Die Einstellung des mit der Achse verbundenen Zeigers erfolgt lediglich nach dem Verhältnis der rechts und links drehenden Drehmomente, also auch nach dem Verhältnis der Ströme. Mit der Intensität der Ströme ändert sich lediglich die Richtkraft, und es ist Aufgabe des Konstrukteurs, die Windungszahlen so zu wählen, daß die Richtkraft bei allen in Frage kommenden Stromstärken groß ist gegenüber den geringen unvermeidlichen Reibungswiderständen des beweglichen Systems. Durch passende Gestaltung der Eisenkerne kann die Skala dieser Instrumente annähernd proportional gestaltet werden. Die Eichung erfolgt so, daß bei Stromgleiche in beiden Spulen (die bei einer mittleren Wellenverdrehung erreicht wird) der Zeiger in der Mitte der Skala steht, daß aber für beispielsweise ± 20 v. H. Abweichung des Stromverhältnisses von der Einheit der Endausschlag der Skala links und rechts erreicht wird. Auch bei Rückwärtslauf der Welle funktioniert die Einrichtung einwandfrei, weil dann das Verhältnis in der gleichen Weise, wie zuerst bei Verminderung des Drehmomentes auf Null, weiter geändert wird. Eine andere, zwar kompliziertere, aber auch vollkommenere Einrichtung zur Messung des Verhältnisses zweier Ströme läßt sich schaffen durch Verwendung von dynamometrischen Instrumenten, deren Kraftlinienverlauf bis auf einen kleinen Luftspalt vollkommen in einem Eisenkörper erfolgt und die statt einer, zwei um einen kleinen Winkel gekreuzte, bewegliche Spulen haben. Es würde hier zu weit führen, dieselben zu beschreiben, es sei nur gesagt, daß es hierbei leichtmöglich ist, durch eine einfache Umschaltung des Instrumentes den Meßbereich des Torsionsindikators beliebig, z.B. im Verhältnis 1 : 3 zu verändern, so daß auch bei kleinen Drehmomenten der volle Ausschlag erreicht wird. Die Instrumente beider Art können in beliebiger Zahl auch registrierend an den Geber angeschlossen werden. Abb. 2 zeigt die Anordnung der Drosseln schematisch. Auf dem einen Wellenquerschnitt I sind die beiden äußeren Schlußstücke der Drossel befestigt. Die Verbindung des zweiten Wellenquerschnittes II mit dem Mittelstück der Drossel erfolgt in üblicherweise durch ein kräftiges Rohr. Textabbildung Bd. 335, S. 267 Abb. 2. Anordnung und Speisung der Doppeldrossel auf den Wellenquerschnitten I und II. Abb. 3 zeigt die Stromaufnahme in den beiden Hälften der Drossel bei einem Gesamtluftspalt von 3 mm. In der Abbildung ist noch eingetragen das Verhältnis der beiden Ströme J1 und J2 und der zugehörige Ausschlag des Verhältnisstrommessers. Es ist keineswegs notwendig und auch nicht zweckmäßig, für das Drehmoment Null von dem Luftspalt Null auszugehen auf der einen Seite der Doppeldrossel, und bei maximalem Drehmoment auf der anderen Seite den Luftspalt Null zu haben. Dies würde vielmehr leicht zu einer Zerstörung des Apparates führen, wenn die Welle Torsionsschwingungen ausführt und dafür kein Spielraum gegeben ist. Die Anzeige des Instrumentes wird durch diese Schwingungen nicht beeinträchtigt, weil sie so schnell erfolgen, daß der Zeiger nicht imstande ist, den einzelnen Impulsen zu folgen. Textabbildung Bd. 335, S. 267 Abb. 3. Verlauf der Einzelströme, des Stromverhältnisses und des Ausschlages in Abhängigkeit von der Verschiebung des Mittelstückes. Man nimmt vielmehr aus dem gesamten möglichen Weg, dem Summenluftspalt, einen Teil, den Nutzluftspalt, heraus, der gegeben ist durch das Verhältnis, für welches das Anzeigeinstrument den Anfang bzw. das Ende der Skala erreicht. Ist das Instrument sehr empfindlich auf Aenderung des Stromverhältnisses, so kann bei dem Summenluftspalt von 3 mm schon ein Nutzwert von 1 mm genügen, um den Zeiger über die ganze Skala sich bewegen zu lassen. Ist aber das Instrument unempfindlich, so sind bei gleichem Summenluftspalt vielleicht für das Mittelstück der Drossel 2,5 mm Weg notwendig. Weiterhin: Ist der Nutzweg gegeben, wie es eigentlich immer der Fall ist, wenn die Wellenmasse und die Meßlänge gegeben sind, so kann man sich je nach der Empfindlichkeit des Instrumentes einen kleineren oder größeren Summenluftspalt wählen. Oder: Durch Verändern des Summenluftspaltes wird bei gegebenem Nutzweg der Meßbereich des Anzeigeinstrumentes justiert. Textabbildung Bd. 335, S. 267 Abb. 4. Skala eines Verdrehungsmessers mit Dreheisen Meßwerk. Die Eichung des Anzeigeinstrumentes erfolgt unter Zugrundelegung der Daten der Welle durch Einstellung von Luftspalten in der Drossel, die für die an der Skala eingezeichneten Werte genau berechnet wurden, unter Annahme eines gewissen Summenluftspaltes. Für den Fall, daß nach erfolgter Montage auf der Welle die Eichung nochmals genau einjustiert wird, hat man durch die Veränderung des Summenluftspaltes ein Mittel an der Hand, die Weite der Skala des Instrumentes zu verändern. Die Drosselspule ist so gebaut, daß sowohl der Summenluftspalt, als auch die Lage des Mittelstückes der Drossel durch je eine große Mikrometerschraube mit Ablesung von hundertstel Millimetern genau einstellbar sind. Nach erfolgter Justierung werden die Schrauben festgestellt und gegen Lockerung gesichert. Abb. 4 zeigt die Eichskala eines Anzeigeinstrumentes als Funktion des übertragenen Drehmomentes. Wie ersichtlich, verläuft die Skala nahezu proportional. Abb. 5 zeigt schematisch die gesamte Anordnung unter Verwendung eines dynamometrischen Anzeigeinstrumentes. Die Stromzuführung zu den Drosseln erfolgt durch drei Schleifringe. Textabbildung Bd. 335, S. 267 Abb. 5. Anordnung der Drosseln auf der Welle und Stromlauf in einem elektrodynamischen Kreuzspulinstrument. Ebenso wie bei der erwähnten Konstruktion der Siemens-Schuckertwerke sind auch bei dieser Ausführung, die der Siemens & Halske A.-G. geschützt ist, eine Reihe von Modifikationen möglich. Als solche sind hier zu beschreiben: Zur Messung der Leistung (Drehmoment und Drehzahl) wird eine Anordnung von Eisenstücken verwendet, bei der noch ein mit Wicklung versehenes Schlußstück vorhanden ist (Abb. 6). Die beiden äußeren Spulen werden von einer Tourendynamo gespeist, die einen Wechselstrom liefert, dessen Spannung proportional der Drehzahl ist. Die Schaltung der Spulen ist derart, daß im drehmomentlosen Zustand die beiden Kraftflüsse sich aufheben, daß also keine Spannung auf der Wicklung des Schlußstückes induziert wird. Sobald aber das Schlußstück durch. Uebertragung von Drehmoment aus der Mitte verschoben wird, so ändert sich die Kraftlinienverteilung, und es wird in der Wicklung ss eine Spannung induziert, deren Höhe einmal proportional der Höhe der Spannung an s1 und s2 ist, also auch der Drehzahl und zum anderen auch proportional der Verdrehung der Welle. Daß das letztere tatsächlich der Fall ist, wurde durch Versuche bestätigt. Es genügt nun, ein einfaches Voltmeter zum Anzeigen der Leistung zu verwenden. Nimmt man aber noch ein zweites Voltmeter mit hohem induktiven und kleinem Ohmschen Widerstand, so zeigt dasselbe nur das übertragene Drehmoment in mkg an: Textabbildung Bd. 335, S. 268 Abb. 6. Anordnung des Drossel-Transformators zur Leistungsmessung. Es ist: In der Spule s3 erzeugte Spannung: E2 = E1 • α = c • n • a, wobei E1 die Spannung der Tourendynamo, proportional der Drehzahl n und α der Verdrehungswinkel der Welle ist. Strom in Voltmeter V i_v=\frac{E_2}{\omega\,L} wenn ω die Kreisfrequenz des Wechselstromes, proportional der Drehzahl n, und L die konstante Selbstinduktion des Voltmeters ist. Eingesetzt gibt, abgesehen von Konstanten iv = α, also Strom und Ausschlag proportional der Verdrehung der Welle. Die beabsichtigte Ausführung des neuen Torsionsmessers für eines der neuen Kriegsschiffe ist leider nicht erfolgt. Bei der einfachen und robusten Ausführungsweise, die auch einen niedrigeren Preis bedingt, als andere zuverlässige Konstruktionen von Torsionsmessern, ist es vielleicht zu erwarten, daß der neue Apparat für die Handelsmarine Eingang finden wird. Es dürfte von einem nicht zu unterschätzenden Vorteil sein, wenn es an den verschiedenen Stellen des Schiffes jederzeit möglich ist, ohne weiteres das auf die Welle übertragene Drehmoment oder die Leistung zu erkennen, wie auch die Möglichkeit der Aufzeichnung eines Diagrammes, daß die Maschinenleistung während der ganzen Fahrt vom betriebstechnischen Standpunkt aus von großem Wert sein wird, nachdem die bisher verwendeten Apparate dieser Art doch immer nur für kurzzeitige Versuche, nicht aber für dauernde Messung und Aufzeichnung geeignet gewesen sind. Bei entsprechender Anpassung ist der neue Apparat auch zur Drehmomentbestimmung an beliebigen Wellen benutzbar, wie ja allgemein das beschriebene neue Meßprinzip die elektrische Fernmessung beliebiger Entfernungsänderungen in vorbildlicher Weise ermöglicht und auch bereits mehrfach, insbesondere zur Fernmessung von Drucken in Anwendung gekommen ist.