Untersuchungen über die Stromzuführung und den elektrischen Antrieb beim Vermessungskreisel

42 Pages·1959·2.131 MB·German

by  Dr.-Ing. Dietrich Wartenberg (auth.)

FORSCH U N GSB ER ICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch das Kultusministerium
Nr.686
Dr.-Ing. Dietrich Wartenberg
Bergakademie Clausthal-Zellerfeld
Untersuchungen Gber die StromzufGhrung und den elektrischen
Antrieb beim Vermessungskreisel
Als Manuskript gedruckt
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-03840-5 ISBN 978-3-663-05029-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05029-2
G 1 i e d e run g
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . s.
1. Einfiihrung • .. 5
2. Unte.csuchung des Kreisels in Luft-, Helium- und
. . .
Wasserstoffatmosphare · s. 6
2. 1 Zweck der Untersuchungen · s. 6
2.2 Versuchsanordnung s. 7
2.3 Gas- und Lagerreibung S. 8
2.4 Betriebsschlupf S. ~o
. . . . . .
2.5 Leis tung und Stromstarke · S . 1 ':
2.6 Aufteilung der Leis tung S. 11
2·7 Erwarmungsmessungen S. 15
2.8 Folgerungen . . . . . s . 17
3. Vergleichende Betrachtungen zum einphasigen und drei
s. 7
phasigen Betrieb des Vermessungskreisels . -~
4. Die Stromzufuhr zur Kreiselkugel . S. 22
4.1 Allgemeines S. 22
4.2 Bisherige Ausfiihrungsformen S. " ,-
LL.
4.3 Zufiihrung von Einphasenstrom . s. 23
4.4 Stromzufuhr iiber Metallbandspiralen s. 24
4.41 Beschreibung s. 24
4.42 Wirkungsweise bei nicht laufendem Kreisel . s. 26
4.43 Die Bewegungen des Kreisels unter zusatzlicher
Einwirkung des Bandrichtmomentes s. 26
.
4.44 Auswahl der Bander zur Stromzufiihrung . c' 20
,) ./
5. Weisungsmessungen S. 3D
6. Gerate-Zubehor •. " 32
0 0
7. Das Verhalten des schweregefesselten Kreisels bei
veranderlichem Drehimpuls S. 34
. . . .
7. 1 Ergebnis 0C ' • 36
B. Zusammenfassung S. 37
Literaturverzeichnis Qu . 39
Seite 3
1. Einfiihrung
Seit dem Jahre 1947 werden im Institut fiir Markscheidewesen der Berg
akademie Clausthal unter Leitung von Prof. O. RELLENSrIANN kreisel
technische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten betrieben. Diese haben
bis zum Beginn der in der vorliegenden Arbeit beschriebenen Untersu
chungen zu drei Typen von Vermessungskreiselkompassen gefiihrt.
Die beiden zuerst entwickelten Typen wurden von der KreiselmeBstelle
der Abteilung Markscheidewesen del' Westfalischen Berggewerkschafts
kasse Bochum durchkonstruiert und unter der Bezeichnung Meridianweiser
(MW) laufend im Ruhrkohlenbergbau fiir untertagige Richtungswinkelbe
stimmungen eingesetzt. Der z.Z. verwendete zweite Typ hat seiner Auf
gabe entsprechend folgende charakteristische Merkmale:
Das Kernstiick, die Einkreiselkugel, wird wie beim Anschiitzschen Schiffs
kreiselkompaB durch Fliissigkeitsauftrieb getragen und horizontiert und
durch eine Spule elektromagnetisch innerhalb der geratefesten Hiill
kugel zentriert.
Die Stromiibertragung erfolgt elektrolytisch von drei Graphitelektroden
der Hiillkugel iiber die schwach angesauerte Tragefliissigkeit auf drei
gegeniiberliegende Graphitelektroden der Kreiselkugel.
Die Richtung wird optisch durch Autokollimatio~ abgenommen.
Das Gerat ist robust gebaut, transportsicher und schlagwettergeschiit~t.
Mit einer luftgefiillten Kreiselkugel hat das Gerat eine Leistungsauf
nahme von ca. 240 W.
Als Energiequelle dient ein schlagwettersicherer Druckluft-Turbo
Generator von 2 kW.
Der dritte Typ ist das Clausthaler Laborgerat
Wie es der Laborbetrieb naturgemaB mit sich bringt,· sind an diesem
Gerat wiederholt Anderungen und Experimente vorgenommen worden, so daB
es in seinem auBeren Aufbau einen labormaBigen Charakter aufweist.
Seine Hauptmerkmale nach dem Stande von 1955 sind:
Die Einkreiselkugel wird durch Fliissigkeitsauftrieb getragen und durch
eine Bandhangung zentriert. Hiillkugel und Blasspule sind nicht vorhan
den.
Sei te 5
Die Stromubertragung erfolgt elektrolytisch uber drei elektrisch von
einander getrennte Schwefelsaure-Tauchkontakte.
Die Richtung wird optisch durch Autokollimation abgenommen.
Das Gerat ist transportierbar, wenn die Saure aus den drei Kontakt
napfen herausgenommen ist.
Mit einer luftgeftillten Kreiselkugel hat das Gerat eine Leistungs
aufnahme von 80 W.
Als Energiequelle dient eine transportable Akkumulatorenbatterie in
Verbindung mit einem Gleichstrom-Drehstrom-Motorgenerator von 0,5 kVA.
Von Seiten der KreiselmeBstelle wurde wiederholt die Verkleinerung
des Meridianweisers und des Zubehors als dringendes Bedurfnis hinstellt,
da der groBte Teil der gesamten Einsatzzeit fur die oft· umstandlichen
Transporte unter Tage verlorengeht.
Dem Verfasser war daher die Aufgabe gestellt, ausgehend von den beiden
letzten Geratetypen Untersuchungen anzustellen, um besonders von der
elektrotechnischen Seite her eine Verkleinerung des MeBgerates selbst
und des Zubehors zu ermoglichen. Dabei durfte als wesentliche Forde
rung die Beibehaltung oder Erhohung der bisherigen Weisungsgenauigkeit
nicht auBer acht gelassen werden.
Dartiber hinaus war zu untersuchen, welche Forderungen an den elektri
schen Antrieb in bezug auf Drehzahlkonstanz gestellt werden mussen,
wenn hohere Weisungsgenauigkeit als die bisher erreichte angestrebt
wird.
2. Untersuchung des Kreisels in Luft-, Helium- und Wasserstoff
Atmosphare
2.1 Zweck der Untersuchungen
Gewicht und Volumen des Druckluft-Turbo-Generators bzw. des Umformers
zusammen mit dem Akkumulator werden in erster Linie durch die Hohe der
zum Betrieb des Kreiselgerates erforderlichen elektrischen Leistung
bestimmt.
Es ist bekannt, daB ein schnell rotierender Kreisel einen groBen Teil
der zugeftihrten Leistung zur tlberwindung der Gasreibung benotigt. Da
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die Gasreibung etwa proportional dem Molekulargewicht des Gases ist,
laBt sie sich also durch Verwendung eines leichteren Gases herabsetzen.
Das leichteste Gas - Wasserstoff - wird deshalb in Schiffskreisel
geraten verwendet. Beim Meridianweiser soll jedoch wegen der in Kohlen
gruben geforderten Schlagwettersicherheit kein brennbares Gas zur An
wendung kommen. Als Ersatz bietet sich Helium an, welches auch sehr
leicht ist und als Edelgas keine Verbindungen mit anderen Elementen
eingeht, also auch nicht brennt.
Welche Verbesserungen beztiglich der Gasreibung und der Warmeabfuhr
zu erwarten sind, laBt sich ungefahr abschatzen:
Die Dichten von Luft, Helium und Wasserstoff verhalten sich wie
1 : 0,14 : O,07 und die Warmeleitfahigkeiten wie 1 : 6 : 7. Um die
tatsachlichen Leistungs- und Ktihlungsverhaltnisse zahlenmaBig zu er
mitteln, wurden im Labor der KreiselmeBstelle in Dortmund die nachfol
gend beschriebenen Versuche durchgeflihrt.
2.2 Versuchsanordnung
Der Kreiselmotor war in eine vakuumdichte, druckfeste Hohlkugel einge
baut. Bei Ftillung der Kugel mit Luft, Helium und Wasserstoff verschie
dener Drucke zwischen 0,05 und 1,5 ata wurde der Kreisel im Hochlauf,
Dauerbetrieb und im Auslauf untersucht.
Bei Hochlauf und Dauerbetrieb wurden gemessen: Spannung, Strom- und
Leistungsaufnahme des Kreiselmotors, Erwarmung der Wicklung (durch
Widerstandsmessung), Temperatur der Kugelwandung, Druck und Temperatur
der Gasftillung in der Kugel, Drehzahl bzw. Schlupf des Kreisels
(stroboskopisch).
Dazu wurde eine mit dem Kreisel rotierende Strichmarke mit Lichtblitzen
von Umformerfrequenz beleuchtet. Die scheinbare Vervielfachung der
Marke bei den entsprechenden Bruchteilen der Synchrondrehzahl gestattete
die Messung einer groBen Anzahl von Drehzahl- bzw. Schlupfwerten.
n
Beim Auslauf des Kreisels wurde die Kurve - = f (t), (wobei n die
n
's
mechanische Drehzahl und n = 339,5 U/s = const. die vom Umformer vor-
s
gegebene Synchrondrehzahl bedeuten), durch Messung von Drehzahl und
Zeit aufgenommen. Von den Auslaufkurven ist ein Beispiel in Abbildung 1
dargestellt.
Sei te 7
Ausloulkurvr.ll = f(t) bri 1060to Hrlium
n 1,0 ns '
nSQ9
t ;'8
0.7
0,6
0,5
0,4
a]
a2
aT
0 10 20 ]0 40 50 60 70 8Q..... t (min)
A b b i I dun g 1
n
Auslaufkurve -= f (t) bei 1 ,06 ata Helium
n
s
Aus diesen Kurven wurde durch Anlegen der Tangenten punktweise der
t7
Differenzenquotient und somit angenahert die Winkelbeschleunigung
:~ bestimmt (Winkelgeschwindigkei t w = 2rr.n ).
2.3 Gas- und Lagerreibung
Nach der Beziehung M = e· ~~ , Drehmoment = Tragheitsmoment x
Winkelbeschleunigung, laBt sich bei bekanntem Tragheitsmoment des Krei
sellaufers das Drehmoment, in diesem FaIle das bremsende Moment von
Gas- und Lagerreibung, berechnen.
Das Tragheitsmoment des Kreisels wurde durch Drehschwingungen an einem
Torsionsdraht bestimmt.
Das Reibungsmoment von Gas- und Lagerreibung zusammen ist ftir Luft,
Helium und Wasserstoff verschiedener Drucke in den Abbildungen 2 und 3
tiber dem Verhaltnis ~ aufgetragen. Man erkennt, daB das Moment mit
n
s
der Drehzahl etwa parabolisch ansteigt.
Um das Lagerreibungsmoment allein zu ermitteln, wurden die Kurven
scharen M = f (p) mit der Drehzahl als Parameter gezeichnet und nach
p = 0 hin extrapoliert. Wegen der Nichtlinearitat der Kurven M = f (p)
in der Nahe des Vakuums ergeben sich dabei etwas zu hohe Betrage. Diese
Tatsache soll jedoch im folgenden unberticksichtigt bleiben, da die
Lagerreibung relativ klein ist.
Sei te 8
I
MomMtmoDstob:
, Skt'1.I2·'O~Ws. '6,6cmp 1250'"
1,00'0
14
13
12
0,501''''
"
10
,9
.,
Q250'0
6
5
4
0,050'0
3
2
ql 0.2 0.3 0.4 Q5 0.6 0." 0.' 0.9 1.0
_..4.
n.
A b b i I dun g 2
Momentenkurven von Luft- plus Lagerreibung
M = f (~s ) fur verschiedene Werte des Luftdruckes
f :
I
Nomrntmanstab: ''',f
, SkI! '."2· 'O·JWs = cmp
p= 1,5'010
-1.17'1'0
~5G'G H.
J J
o u u u ~ ~ • ~ ~ ~ ~ o 0.' 0.2 o.J D.' D.5 0,' 0.7 0.' 0.'
-..JLn, _.JLn.
A b b i I dun g 3
a) Momentenkurven M f (~s ) bei Heliumfullung
fur verschiedene Werte Druckes
d~s
b) Momentenkurven M = f (~s )bei Wasserstofftillung
ftir verschiedene Werte des Druckes
Se.ite 9
2.4 Betriebsschlupf
Der Schlupf im stationaren Betriebszustand kann im allgemeinen nicht
durch Auszahlen der Schlupffrequenz (scheinbare Drehzahl der Strich
marke) ermittelt werden, da diese schon bei einem Schlupf von nur 0,02
und einer Synchrondrehzahl von 340 U/s mit 6,8 s-1 zum Auszahlen zu
schnell ist. Sie wurde daher durch rtickwartige Extrapolation der Aus
laufkurven bis zum Ausschaltzeitpunkt t = 0 gefunden. Hierzu wurden
die in Abbildung 4 in groBerem MaBstab dargestellten Anfange der Aus
laufkurven benutzt.
2 3 " _,{minI
o~~~~~~~~~~ __~ __~ __~ 2~0~~4~0 __~ __~ ~~2-__~ __~ /sI
*
Schlup! d :r 1- in Abhangigbit
3 von d.r Z.it •
"
5
6
7
~
9
70
11
l
12
13 Schlupf rio}
1-1t
14 6=
15
16
A b b i 1 dun g 4
Beginn des Auslaufes in Helium bei verschiedenen Drucken,
Schlupf ~ = 1 - ~ in Abhangigkeit von der Zeit
n
s
Diese enthalten im Bereich bis 15 ~ Schlupf eine groBe Anzahl von MeB
werten, die gut auf einer glatten Kurve liegen, und konnen daher sehr
genau bis zur Ordinatenachse verlangert werden. Den Fehler bei der Be
stimmung der relativen Betriebsdrehzahl kann man nach Abbildung 4 etwa
%
mit! 0,1 abschatzen. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 5 und 6
als Funktion des Gasdruckes aufgetragen.
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