DE102018133120A1 - Device and method for non-contact rotation measurement - Google Patents

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Henning Jürß
Hartmut Ewald
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Universitaet Rostock
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren zur berührungslosen Rotationsmessung, umfassend einen auf einer Rotationsachse (14) drehbar gelagerten Rotationskörper (12) mit einer n-fachen Drehsymmetrie sowie ein strahldivergentes oder strahlkonvergentes Messsystem (20, 201, 202, 203, 204), welches wenigstens eine Strahlungsquelle (22), wenigstens einen Strahlungsempfänger (32, 34), eine Auswertungsvorrichtung (40) und einen optischen Pfad (24) zwischen der wenigstens einen Strahlungsquelle (22) und dem wenigstens einen Strahlungsempfänger (32, 34) umfasst, in welchem ein Rotationskörper (12) angeordnet ist.Erfindungsgemäß wird eine divergente oder konvergente Strahlung auf den Rotationskörper (12) der Vorrichtung (10) geworfen, wobeia) an wenigstens einer Seite des Rotationskörpers (12) vorbei gelangende Strahlung in wenigstens einem Strahlungsempfänger (32, 34) der Vorrichtung (10) erfasst wird und/oderb) wenigstens ein Teil der von dem Rotationskörper (12) reflektierten Strahlung in wenigstens einem Strahlungsempfänger (32, 34) der Vorrichtung erfasst wird, und aus der Menge der erfassten Strahlung und/oder wenigstens einer daraus abgeleiteten Größe wenigstens eine Rotationszustandsgröße der Rotation des Rotationskörpers (12) ermittelt.The invention relates to a device (10) and a method for non-contact rotation measurement, comprising a rotation body (12) rotatably mounted on an axis of rotation (14) with n-fold rotational symmetry and a beam-divergent or beam-convergent measuring system (20, 201, 202, 203, 204), which has at least one radiation source (22), at least one radiation receiver (32, 34), an evaluation device (40) and an optical path (24) between the at least one radiation source (22) and the at least one radiation receiver (32, 34) In which a rotating body (12) is arranged. According to the invention, divergent or convergent radiation is thrown onto the rotating body (12) of the device (10), with radiation passing at least one side of the rotating body (12) in at least one radiation receiver (32, 34) of the device (10) is detected and / orb) at least part of the reflection from the rotating body (12) radiation is detected in at least one radiation receiver (32, 34) of the device, and at least one rotation state variable of the rotation of the rotating body (12) is determined from the amount of radiation detected and / or at least one quantity derived therefrom.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Rotationsmessung, umfassend einen auf einer Rotationsachse drehbar gelagerten Rotationskörper mit einer n-fachen Drehsymmetrie.The invention relates to a device and a method for non-contact rotation measurement, comprising a rotation body rotatably mounted on an axis of rotation with an n-fold rotational symmetry.

Die vorliegende Erfindung liegt im Gebiet der, insbesondere optischen, berührungslosen Messtechnik zur Charakterisierung von Bewegungen, insbesondere Drehwinkel und Rotation. In diesem Zusammenhang ist der Begriff der optischen Messtechnik nicht auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums beschränkt, sondern umfasst auch den ultravioletten Bereich, den Infrarotbereich und andere Frequenzbereiche, die sich optisch charakterisieren lassen, wie etwa den HF- und Mikrowellenbereich, oder im noch kurzwelligeren Bereich, beispielsweise dem Röntgenbereich. Hierbei können spezifische Eigenschaften des jeweiligen Frequenzbereichs ausgenutzt werden, wie etwa der Dämpfungsgrad der in der Anwendung vorliegenden Medien. Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist ein Strömungssensor mit einem Rotationskörper, der durch die Strömung eines Fluids gedreht wird, welches für sichtbares Licht beispielsweise intransparent ist. In einem solchen Fall wird eine Messfrequenz verwendet, für die das Fluid transparent ist.The present invention is in the field of, in particular optical, contactless measurement technology for the characterization of movements, in particular rotation angle and rotation. In this context, the term optical measurement technology is not limited to the visible range of the electromagnetic spectrum, but also encompasses the ultraviolet range, the infrared range and other frequency ranges that can be optically characterized, such as the RF and microwave range, or in the even more short-wave range Area, for example the X-ray area. Here, specific properties of the respective frequency range can be used, such as the degree of damping of the media present in the application. An application example of this is a flow sensor with a rotating body that is rotated by the flow of a fluid that is, for example, non-transparent to visible light. In such a case, a measuring frequency is used for which the fluid is transparent.

Der Stand der Technik der berührungslosen Rotationsmessung ist umfangreich und umfasst Drehzahlmessungen mit Impulsgeber, Sensoren mit winkelaufgelöster Signalerfassung, analoge optische Sensoren wie beispielsweise rotierende Polarisationsfilter, intensitätsabhängige Reflexionsmessungen an einem rotierenden Rad, Lichtstrahlablenkung an einer segmentierten, reflektierenden Welle ebenso, wie magnetische Messverfahren, bei denen Veränderungen eines Magnetfelds durch Rotation erfasst werden.The state of the art of non-contact rotation measurement is extensive and includes speed measurements with pulse generators, sensors with angle-resolved signal detection, analog optical sensors such as rotating polarization filters, intensity-dependent reflection measurements on a rotating wheel, light beam deflection on a segmented, reflecting shaft as well as magnetic measurement methods in which Changes in a magnetic field can be detected by rotation.

Das Messprinzip mit Impulsgebern auf der Basis von Lichtschranken beispielsweise ist so, dass ein Impulssignal oder wenige Impulssignale pro Umdrehung erzeugt werden. Die Messung erfolgt berührungsfrei und dadurch ohne mechanische Belastungen. Es werden allerdings kein Drehwinkel, keine Vorzugslage und keine Unwucht erkannt. Bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit treten große zeitliche Abstände zwischen den Signalimpulsen auf. Die Signalrate wird hier durch den Prozess bestimmt, nicht durch das Messwerterfassungssystem bzw. die Auswerteeinheit.The measuring principle with pulse generators based on light barriers, for example, is such that one pulse signal or a few pulse signals are generated per revolution. The measurement is carried out without contact and therefore without mechanical loads. However, no angle of rotation, no preferred position and no imbalance are detected. At low flow speeds, there are large time intervals between the signal pulses. The signal rate is determined here by the process, not by the measured value acquisition system or the evaluation unit.

Sensoren mit winkelaufgelöster Signalerfassung umfassen häufig eine optisch fein segmentierte Scheibe, die mit einer oder mehreren Lichtschranken abgetastet wird, um die Änderung des Rotationswinkels zu ermitteln. Digital codierte Segmentscheiben ermöglichen die diskrete Bestimmung absoluter Drehwinkel. Diese Segmentscheibe muss auf einer Welle befestigt sein. Hierdurch ergeben sich hohe mechanische Anforderungen an die Positionierung, Halterung der optischen Sensoreinheiten hoch sind.Sensors with angularly resolved signal detection often comprise an optically finely segmented disk, which is scanned with one or more light barriers in order to determine the change in the angle of rotation. Digitally coded segment discs enable the discreet determination of absolute angles of rotation. This segment disc must be attached to a shaft. This results in high mechanical requirements for the positioning, and the mounting of the optical sensor units is high.

Bei der Verwendung eines rotierenden Polarisationsfilters in Kombination mit einem feststehenden Polarisationsfilter kann bei der Nutzung mehrerer Detektoren und Polarisationsfilter die Lichtamplitude der Quelle kompensiert werden und mittels phasenversetzter Signale eine hohe Winkelauflösung erzeugt werden. Diese Technik ist allerdings mit hohen Kosten verbunden und mit hohen mechanischen Anforderungen an die Anordnung der Polarisationsfilter auf der rotierenden Welle. Es sind außerdem mehrere Detektoren für die genaue Erfassung des Absolutwinkels erforderlich.When using a rotating polarization filter in combination with a fixed polarization filter, when using several detectors and polarization filters, the light amplitude of the source can be compensated and a high angular resolution can be generated by means of phase-shifted signals. However, this technology is associated with high costs and high mechanical requirements for the arrangement of the polarization filters on the rotating shaft. Multiple detectors are also required for accurate absolute angle detection.

Bei einer intensitätsabhängigen Reflexionsmessung an einem rotierenden Rad ist, beispielsweise auf der zylindrischen Oberfläche eines Rotors, eine intensitätsabhängige Strukturierung aufgebracht, beispielsweise ein Graukeil oder ein drehwinkelabhängiges Muster. Auch in diesem Fall lässt sich ein Drehwinkel im gesamten Rotationsbereich von 0° bis 360° erfassen. Allerdings muss ein intensitätsabhängiges Muster auf der Welle angebracht werden. Dies ist nicht beliebig miniaturisierbar. Ferner ist beispielsweise im Bereich der Mikrosystemtechnik und Mikrofluidik die benötigte Gestaltung des Rotationskörpers häufig nicht möglich.In the case of an intensity-dependent reflection measurement on a rotating wheel, for example on the cylindrical surface of a rotor, an intensity-dependent structuring is applied, for example a gray wedge or a pattern dependent on the angle of rotation. In this case too, an angle of rotation can be detected in the entire rotation range from 0 ° to 360 °. However, an intensity-dependent pattern must be applied to the shaft. This cannot be miniaturized arbitrarily. Furthermore, in the field of microsystem technology and microfluidics, for example, the required design of the rotating body is often not possible.

Die Lichtstrahlablenkung einer segmentierten, reflektierenden Welle mit Erfassung des Drehwinkels mithilfe einer segmentierten Empfangseinheit bzw. mehrerer Empfänger erlaubt ebenfalls eine präzise Bestimmung des Drehwinkels, die berührungslos realisiert wird. Die Signalerfassung selbst, beispielsweise mittels eines Laserstrahls und einer Zeilenkamera, ist allerdings aufwendig und aufgrund der Auslesegeschwindigkeit der Zeilenkamera ist die Rotationsgeschwindigkeit, bei der dieses Verfahren funktioniert, begrenzt. Aufgrund der Reflexion ist das Verfahren auch nur innerhalb eines bestimmten Winkelsegments anwendbar, beispielsweise bis zu 180°.The light beam deflection of a segmented, reflecting wave with detection of the angle of rotation with the aid of a segmented receiving unit or several receivers also allows a precise determination of the angle of rotation, which is implemented without contact. However, the signal detection itself, for example by means of a laser beam and a line camera, is complex and, due to the read speed of the line camera, the rotational speed at which this method works is limited. Because of the reflection, the method can only be used within a certain angle segment, for example up to 180 °.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Rotationsmessung zur Verfügung zu stellen, die robust und mit hoher Messgenauigkeit sowie wenig Aufwand realisierbar ist.In contrast, the present invention has for its object to provide a device and a method for non-contact rotation measurement, which is robust and can be realized with high measurement accuracy and little effort.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur berührungslosen Rotationsmessung, umfassend einen auf einer Rotationsachse drehbar gelagerten Rotationskörper mit einer n-fachen Drehsymmetrie sowie ein strahldivergentes oder strahlkonvergentes Messsystem, welches wenigstens eine Strahlungsquelle, wenigstens einen Strahlungsempfänger, eine Auswertungsvorrichtung und einen optischen Pfad zwischen der wenigstens einen Strahlungsquelle und dem wenigstens einen Strahlungsempfänger umfasst, in welchem ein Rotationskörper angeordnet ist, wobei die Strahlungsquelle ausgebildet ist, eine in Richtung auf den Rotationskörper zu divergente oder konvergente Strahlung auf den Rotationskörper auszusenden, deren Einhüllende einen maximalen Umfangsrotationskreis des Rotationskörpers einschließt, wobei

  1. a) der Rotationskörper die Strahlung in einer Transmissionsanordnung entsprechend einer momentanen Winkellage des Rotationskörpers teilweise abschattet und der wenigstens eine Strahlungsempfänger auf einer der Strahlungsquelle gegenüberliegenden Seite des Rotationskörpers angeordnet ist und einen nicht abgeschatteten Teil der divergenten Strahlung erfasst, und/oder
  2. b) der Rotationskörper die Strahlung in einer Reflexionsanordnung entsprechend einer momentanen Winkellage des Rotationskörpers teilweise reflektiert und der wenigstens eine Strahlungsempfänger auf der gleichen Seite wie die Strahlungsquelle relativ zum Rotationskörper angeordnet ist und einen reflektierten Teil der Strahlung erfasst,
wobei die Auswertungsvorrichtung eingerichtet ist, aus der Menge der erfassten Strahlung und/oder wenigstens einer daraus abgeleiteten Größe wenigstens eine Rotationszustandsgröße des Rotationskörpers zu ermitteln.This object is achieved by a device for non-contact rotation measurement, comprising a rotary body rotatably mounted on an axis of rotation with an n-fold rotational symmetry and a beam-divergent or beam-convergent measuring system which has at least one Radiation source, at least one radiation receiver, an evaluation device and an optical path between the at least one radiation source and the at least one radiation receiver, in which a rotating body is arranged, wherein the radiation source is designed to divergent or convergent radiation towards the rotating body on the To emit a rotating body, the envelope of which includes a maximum circumferential rotation circle of the rotating body, wherein
  1. a) the rotating body partially shades the radiation in a transmission arrangement in accordance with an instantaneous angular position of the rotating body and the at least one radiation receiver is arranged on a side of the rotating body opposite the radiation source and detects an unshaded part of the divergent radiation, and / or
  2. b) the rotating body partially reflects the radiation in a reflection arrangement corresponding to an instantaneous angular position of the rotating body and the at least one radiation receiver is arranged on the same side as the radiation source relative to the rotating body and detects a reflected part of the radiation,
wherein the evaluation device is set up to determine at least one rotational state variable of the rotating body from the quantity of radiation detected and / or at least one variable derived therefrom.

Hierbei ist n im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer eine endliche positive ganze Zahl. Der Fall n = 1 bedeutet dabei, dass sich das Messsignal erst nach einer vollständigen Rotation des Rotationskörpers um 360° wiederholt.In the context of the present invention, n is always a finite positive integer. The case n = 1 means that the measurement signal is only repeated after the complete rotation of the rotating body by 360 °.

Die Erfindung beruht auf dem Grundprinzip, die sich im Verlauf einer Rotation des Rotationskörpers ständig ändernde scheinbare Ausdehnung des Rotationskörpers aufgrund seiner Form zur Signalgebung zu nutzen und die empfangenen Signale mit dem jeweiligen Rotationswinkel oder anderen Rotationszustandsgrößen zu korrelieren. Die einzige Querschnittsform eines Rotationskörpers, mit der eine solche Messung prinzipiell nicht funktioniert, ist die Kreisform (bei der Kreisform ist n = ∞), da sich im Laufe einer Umdrehung eines zylindrischen Objekts die Projektion des zylindrischen Rotationskörpers nicht ändert, also kein zeitlich veränderliches Signal zur Verfügung steht. Mit einer derartigen Anordnung kann nur die Lage des Rotationskörpers in den Richtungen senkrecht zur Drehachse bestimmt werden. Bei einem strukturierten Rotationskörper ändert sich im Laufe einer Umdrehung dessen Projektion quer zur Rotationsachse auf eine charakteristische Weise, die zur Rotationszustandsbestimmung genutzt wird.The invention is based on the basic principle of using the apparent expansion of the rotary body, which changes constantly in the course of a rotation of the rotary body, due to its shape for signaling and to correlate the received signals with the respective angle of rotation or other rotational state variables. The only cross-sectional shape of a rotating body with which such a measurement does not work in principle is the circular shape (with the circular shape n = ∞), since the projection of the cylindrical rotating body does not change in the course of one revolution of a cylindrical object, i.e. no signal that changes over time is available. With such an arrangement, only the position of the rotating body in the directions perpendicular to the axis of rotation can be determined. In the case of a structured body of revolution, its projection changes transversely to the axis of rotation in the course of one revolution in a characteristic manner, which is used to determine the state of rotation.

Die Menge der Abschattung bzw. des nicht abgeschatteten Lichts ändert sich daher periodisch mit der Periode einer Umdrehung oder mehrmals per vollständiger Umdrehung. So ergibt sich ein zeitlich moduliertes Strahlungssignal, welches in Bezug auf Rotationszustandsgrößen wie die Winkellage, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung, Rotationsrichtung oder Ruhelage, ausgewertet werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt die Messfrequenz der Strahlung vorzugsweise im sichtbaren optischen Bereich, im Infrarotbereich, im UV-Bereich, HF-Bereich, im Mikrowellenbereich oder bei noch kürzeren Wellenlängen, insofern diese durch geeignete Materialien des Rotationskörpers abgeschattet werden können. Materialien, die für die verschiedenen Wellenlängenbereiche intransparent, teiltransparent oder transparent sind, sind bekannt, und die vorliegende Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht auf bestimmte Materialien beschränkt. Durch geeigneten Einsatz verschiedener Materialien mit verschiedener Transparenz für die verwendete Messfrequenz lässt sich optisch eine Periodizität von n = 1 erstellen, dass also eine Wiederholung des Messsignals erst nach einer vollständigen Umdrehung des Rotationskörpers um 360° um die Rotationsachse erfolgt, obwohl der Rotationskörper selbst beispielsweise eine höherzählige Rotationssymmetrie aufweist.The amount of shading or unshaded light therefore changes periodically with the period of one revolution or several times per complete revolution. This results in a radiation signal that is modulated over time, which can be evaluated in relation to rotational state variables such as the angular position, angular velocity, angular acceleration, rotational direction or idle position. In the context of the present invention, the measurement frequency of the radiation is preferably in the visible optical range, in the infrared range, in the UV range, in the HF range, in the microwave range or at even shorter wavelengths, insofar as these can be shaded by suitable materials of the rotating body. Materials which are non-transparent, partially transparent or transparent for the different wavelength ranges are known, and the present invention is not restricted to certain materials in this regard. By suitable use of different materials with different transparency for the measurement frequency used, a periodicity of n = 1 can be created optically, i.e. the measurement signal is only repeated after the rotation body has been completely rotated through 360 ° around the rotation axis, although the rotation body itself, for example, has higher-order rotational symmetry.

Der Vorteil einer reflektiven Anordnung gegenüber einer auf Abschattung basierenden liegt in einer kompakteren Bauform und in der einfacheren Ankopplung des optischen Messsystems von nur einer Seite. Auch hier kann eine vorhandene segmentierte Welle genutzt werden, solange sie zumindest teilweise das Licht reflektiert und sich ihre Reflexionseigenschaften im Laufe der Zeit nicht zu sehr ändern. Die Menge des von der Empfangseinheit erfassten Lichts bzw. Strahlung oder Strahlungsenergie hängt in diesem Fall ebenfalls von den geometrischen Verhältnissen ab, weist jedoch wiederum die für die Rotations- bzw. Drehwinkelmessung notwendige Periodizität im Laufe der Rotation des Rotationskörpers auf. The advantage of a reflective arrangement compared to a shading-based arrangement lies in a more compact design and in the simpler coupling of the optical measuring system from only one side. An existing segmented wave can also be used here as long as it at least partially reflects the light and its reflective properties do not change too much over time. The amount of light or radiation or radiation energy detected by the receiving unit also depends in this case on the geometric conditions, but in turn has the periodicity necessary for the rotation or rotation angle measurement in the course of the rotation of the rotating body.

Unter Größen, die im Rahmen der Erfindung aus der Menge der erfassten Strahlung abgeleitet sind, werden u.a. der zeitliche Verlauf, etwa in erster, zweiter oder höherer Ableitung verstanden, ebenso wie aus mehreren Signalen zusammengesetzte Messgrößen wie Differenzen oder Quotienten der gemessenen Lichtmengen verschiedener Strahlungsempfänger.Sizes which are derived from the amount of radiation detected in the context of the invention include the temporal progression, understood in the first, second or higher derivation, as well as measurement variables composed of several signals, such as differences or quotients of the measured light quantities of different radiation receivers.

Die Tatsache, dass die Strahlung anisotrop, also divergent oder konvergent ist, also eine Aufspreizung oder das Gegenteil einer Aufspreizung aufweist, führt in das System eine Nichtlinearität ein, die dazu führt, dass verschiedene Rotationswinkel des Rotationskörpers voneinander unterschieden werden können, die bei einer Verwendung eines parallelen Strahlenbündels nicht voneinander unterscheidbar wären, wobei die Verwendung mehrerer Strahlungsempfänger, die von unterschiedlichen Bereichen des Rotationskörpers abgeschaltet werden, bei der Auflösung von Mehrdeutigkeiten vorteilhaft ist.The fact that the radiation is anisotropic, i.e. divergent or convergent, i.e. one Spreading or the opposite of a spreading introduces a non-linearity into the system, which leads to the fact that different angles of rotation of the rotating body can be distinguished from one another, which would not be distinguishable from one another when using a parallel beam, the use of several radiation receivers from different areas of the rotating body can be switched off, when resolving ambiguities is advantageous.

Alternativ kann bei einem strahlkonvergenten System, bei dem mehrere Strahlungsquellen Strahlung konvergent auf einen einzigen Empfänger senden, ebenfalls eine Auflösung von Mehrdeutigkeiten erreicht werden, indem die mehreren Strahlungsquellen voneinander unterscheidbar betrieben werden oder voneinander unterscheidbar sind, beispielsweise durch eindeutig unterscheidbare Modulation, etwa durch abwechselndes Strahlen, oder die Verwendung und empfängerseitige Unterscheidung unterschiedlicher Wellenlängen, wenn der Empfänger eine Auflösung nach Farben bzw. Wellenlängen zulässt.Alternatively, in the case of a beam-convergent system in which a plurality of radiation sources transmit radiation convergent to a single receiver, a resolution of ambiguities can also be achieved in that the plurality of radiation sources are operated or can be distinguished from one another, for example by uniquely distinguishable modulation, for example by alternating radiation , or the use and differentiation of different wavelengths on the receiver side if the receiver permits resolution according to color or wavelength.

Als kostengünstige Lösung werden in einer Ausführungsform eine Standard-LED als Strahlungsquelle und ein oder zwei Standard-Photodioden als Strahlungsempfänger genutzt. Das erfindungsgemäße System bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf Mikrosysteme angewendet werden und ist auch in MEMS- bzw. MO-EMS-Technologie (Mikroelektromechanische bzw. Mikrooptoelektromechanische Systeme) herstellbar.In one embodiment, a standard LED is used as a radiation source and one or two standard photodiodes are used as radiation receivers as a cost-effective solution. The system according to the invention or the device according to the invention can be applied to microsystems and can also be produced in MEMS or MO-EMS technology (microelectromechanical or microoptoelectromechanical systems).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwirklicht ein berührungsloses Messprinzip des Drehwinkels und davon abgeleiteter Größen wie Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung und ist als kostengünstige Anordnung realisierbar, da die Anforderungen an die Präzision der Optiken nicht sehr hoch sind. Die meist nichtlinearen Signalverläufe können durch Kalibration erfasst und verarbeitet werden. Der aktuelle Winkel kann zu jedem Zeitpunkt bestimmt werden, die zeitliche Auflösung der Winkelmessung wird somit durch das Messwerterfassungssystem bestimmt und nicht durch die Rotation, wie beispielsweise bei Inkrementalgebern, die im Ruhezustand keine Signale liefern. Es sind auch keine zusätzlichen Anforderungen an den Rotationskörper vorhanden, wie beispielsweise bezüglich einer Magnetisierung, farblichen Gestaltung oder der Verwendung von Polarisationselementen. Dies bedeutet, dass vorhandene Rotationskörper auch mit einem erfindungsgemäßen System nachgerüstet werden können. Hierzu muss die Mechanik der Welle, auf der der Rotationskörper angeordnet ist, nicht zerlegt werden.The device according to the invention realizes a non-contact measuring principle of the angle of rotation and variables derived therefrom, such as angular velocity and angular acceleration, and can be implemented as an inexpensive arrangement, since the requirements for the precision of the optics are not very high. The mostly non-linear signal curves can be recorded and processed by calibration. The current angle can be determined at any point in time, the temporal resolution of the angle measurement is thus determined by the data acquisition system and not by the rotation, as is the case, for example, with incremental encoders which do not deliver any signals in the idle state. There are also no additional requirements for the rotating body, such as with regard to magnetization, color design or the use of polarization elements. This means that existing rotary bodies can also be retrofitted with a system according to the invention. For this purpose, the mechanics of the shaft on which the rotating body is arranged do not have to be disassembled.

Die Rotationsmessung weist außerdem einen hohen Dynamikbereich auf, während hingegen die mechanische Präzision zwischen Rotor und Messanordnung nicht sehr hoch sein muss. Eine Lageveränderung der Rotationsachse des Rotationskörpers in Achsrichtung ist ohne Einfluss auf die Messung. Eine Lageveränderung in horizontaler Richtung, also von der Strahlungsquelle weg oder auf die Strahlungsquelle zu, wird nach einer Umdrehung bzw. bei wenigstens zwei Empfängern direkt bei jeder Winkellage erkannt werden und kann automatisch kompensiert werden. Auch eine Lageveränderung in vertikaler Richtung wird anhand des Zeitverlaufs erkannt und kann modellbasiert kompensiert werden. Das System kann hierfür robust ausgelegt werden. Durch die mögliche Erkennung derartiger Fehlergrößen, stehen zusätzliche Informationen zur Verfügung. So können auch Schwingungen der Welle erkannt und analysiert werden, was eine Fehlerüberwachung der Welle erlaubt. So können defekte Lager, Verschleiß oder unsymmetrische Lasten erkannt werden. Die entsprechenden Veränderungen der detektierten Verlaufskurven sind für diese Fehlerfälle jeweils charakteristisch und können modelliert oder berechnet werden.The rotation measurement also has a high dynamic range, while the mechanical precision between the rotor and the measuring arrangement does not have to be very high. A change in position of the rotational axis of the rotating body in the axial direction has no influence on the measurement. A change in position in the horizontal direction, that is to say away from the radiation source or towards the radiation source, is detected after one revolution or with at least two receivers directly at any angular position and can be compensated automatically. A change in position in the vertical direction is also recognized on the basis of the time course and can be compensated for on a model basis. The system can be designed robustly for this. Additional information is available through the possible detection of such error sizes. In this way, vibrations of the shaft can also be identified and analyzed, which enables fault monitoring of the shaft. Defective bearings, wear or asymmetrical loads can be identified. The corresponding changes in the detected traces are characteristic of these error cases and can be modeled or calculated.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Bestimmung des Drehwinkels, der Drehrichtung, der Drehwinkelgeschwindigkeit, der Lage oder weiterer abgeleiteter Größen mithilfe eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus und ohne bzw. mit nur minimalen Eingriffen in die rotierende Mechanik. Das Messprinzip kann auf bereits vorhandene, in der Rotationsebene profilierte Rotoren oder Wellen angewandt werden, wie beispielsweise ein Strömungsflügelrad oder eine kantige oder ovale Welle. Ebenso ist auch möglich, einen Rotationskörper speziell für eine Anwendung zu optimieren, diesen nachträglich in einem bereits vorhandenen System zu ergänzen oder ihn in einem neuentwickelten Drehwinkelsensor zu integrieren. Insbesondere bei einem Strömungssensor ist das Flügelrad vorzugsweise strömungstechnisch optimiert, unter anderem mit geringer Masse, geringem Rotationsträgheitsmoment, reibungsarmer Lagerung und angepasster Formgebung.The device according to the invention allows the angle of rotation, the direction of rotation, the angle of rotation speed, the position or other derived quantities to be determined with the aid of a simple and inexpensive construction and without or with only minimal interventions in the rotating mechanics. The measuring principle can be applied to already existing rotors or shafts profiled in the plane of rotation, such as a flow impeller or an angular or oval shaft. It is also possible to optimize a rotating body specifically for an application, to supplement it later in an existing system or to integrate it in a newly developed angle of rotation sensor. In particular in the case of a flow sensor, the impeller is preferably optimized in terms of flow technology, inter alia with a low mass, low rotational moment of inertia, low-friction mounting and adapted shaping.

Mithilfe einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglichten winkelaufgelösten Signalerfassung ist es möglich, mit einer vom Messsystem vorgegebenen Messrate Rotationszustandsgrößen wie die Rotationsgeschwindigkeit auch bei niedrigen Drehzahlen zu erfassen. Zusätzlich können durch die Rotationswinkelmessung Auslenkungen aus der Ruhelage, Pendelbewegungen und unsymmetrische Rotationen erfasst werden, wie sie häufig bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Derartige Informationen sind wichtig für die Fehleranalyse und Messwertkorrektur, beispielsweise bezüglich Anlaufverhalten, Folgeverhalten bei Strömungsgeschwindigkeitsänderungen oder Schlupfkompensation. Sie tragen somit zu einer Steigerung der Messgenauigkeit derartiger Strömungssensoren bei.With the aid of an angle-resolved signal detection made possible by the device according to the invention, it is possible to detect rotation state variables such as the rotation speed even at low speeds using a measurement rate specified by the measuring system. In addition, the rotation angle measurement can detect deflections from the rest position, pendulum movements and asymmetrical rotations, which often occur at low flow velocities. Such information is important for error analysis and measured value correction, for example with regard to start-up behavior, subsequent behavior when there are changes in flow velocity or Slip compensation. They thus contribute to an increase in the measuring accuracy of such flow sensors.

Das erfindungsgemäße Messprinzip funktioniert prinzipiell auch bei Rotationskörpern mit einer hochzähligen Rotationssymmetrie. Sehr hohe n führen jedoch dazu, dass die Periodizität sehr kurz wird und die verfügbare Amplitude der Änderung der Strahlungsmenge, die bei den Strahlungsempfängern ankommt, sehr klein wird. So ist beispielsweise bei n = 30 nur noch ein Winkelzug von 12° auflösbar. Vorzugsweise ist deshalb der Rotationskörper mit n-facher Drehsymmetrie mit 1 ≤ n ≤ 20, vorzugsweise mit 1 ≤ n ≤ 10, ausgebildet. Dies ist bezogen auf die Abschattungseigenschaften des Rotationskörpers. Mit entsprechenden Werten für n ist eine gute Auflösung und eine ausreichend große Periodizität des Messsignals erreichbar. Alternativ oder zusätzlich dazu ist der Rotationskörper als Flügelrad mit n Flügeln oder als im Querschnitt regelmäßiger oder unregelmäßiger polygonaler Körper mit n Ecken und n Kanten ausgebildet.In principle, the measuring principle according to the invention also works in the case of rotating bodies with a high rotational symmetry. However, very high n make the periodicity very short and the available amplitude of the change in the amount of radiation that is received by the radiation receivers becomes very small. For example, if n = 30, only an angular pull of 12 ° can be resolved. The rotary body is therefore preferably designed with n-fold rotational symmetry with 1 n n 20 20, preferably with 1 n n 10 10. This is related to the shading properties of the rotating body. With appropriate values for n, a good resolution and a sufficiently large periodicity of the measurement signal can be achieved. Alternatively or additionally, the rotating body is designed as an impeller with n blades or as a polygonal body with n corners and n edges that is regular or irregular in cross section.

Da dieses Messverfahren auf einer Amplitudenmessung basiert, ist es sinnvoll die Quelle(n) zu stabilisieren bzw. ihre Emission zu referenzieren um mögliche Schwankungen zu kompensieren, die auch im Messsignal enthalten wären. Auch eine gezielte Modulation der Quelle kann genutzt werden, um Quereinflüsse wie bspw. Fremdlicht zu kompensieren.Since this measurement method is based on an amplitude measurement, it makes sense to stabilize the source (s) or to reference their emission in order to compensate for possible fluctuations that would also be contained in the measurement signal. Targeted modulation of the source can also be used to compensate for cross influences such as ambient light.

Vorzugsweise wird die Strahlung als divergenter oder konvergenter Strahlungsfächer oder als zwei oder mehr divergierende oder konvergierende Strahlenbündel ausgesandt. Ein divergenter Strahlungsfächer ist in diesem Fall ein auseinanderstrebendes Strahlenbündel, während divergierende Strahlenbündel separate Strahlenbündel bezeichnen, die jeweils divergent oder aber auch parallel sein können und in verschiedene, divergierende Richtungen laufen. Bei konvergenten Strahlungsfächern bzw. Strahlenbündeln verhält es sich umgekehrt. Mit allen vier Varianten lässt sich das erfindungsgemäße Messprinzip verwirklichen.The radiation is preferably emitted as a divergent or convergent radiation fan or as two or more diverging or converging beams. In this case, a divergent radiation fan is a diverging beam, while diverging beams denote separate beams, which can each be divergent or else parallel and run in different, divergent directions. The situation is the reverse for convergent radiation fans or beams. The measuring principle according to the invention can be implemented with all four variants.

In der optischen Anordnung wird die Umschaltung von einem divergenten System zu einem konvergenten System in einfacher Weise durch Austausch von Lichtquelle(n) und Empfänger(n) erreicht. So ergibt sich im strahlkonvergenten System ein konvergentes Abstrahlverhalten.In the optical arrangement, the switchover from a divergent system to a convergent system is achieved in a simple manner by exchanging the light source (s) and receiver (s). This results in a convergent radiation behavior in the beam-convergent system.

Vorteilhafterweise sind wenigstens zwei Strahlungsempfänger umfasst, die angeordnet sind, Teile der Strahlung zu empfangen, die an entgegengesetzten Seiten des Rotationskörpers vorbeigelangen bzw. reflektiert werden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass an den entgegengesetzten Seiten des Rotationskörpers charakteristisch je nach Rotationslage die Abschattung bzw. Reflexion durch den Rotationskörper während dessen Rotation unterschiedlich verläuft, so dass Mehrdeutigkeiten, die bei der Verwendung nur eines Strahlungsempfängers auftreten würden, beseitigt werden können. Alternativ können auch zwei Strahlungsempfänger entlang der Rotationsachse des Rotationskörpers nebeneinander, aber auf der gleichen Seite des Rotationskörpers, angeordnet sein, wobei in diesem Fall der Rotationskörper vorzugsweise in seiner axialen Richtung unterschiedlich ausgestaltet ist, sodass diese beiden Strahlungsempfänger unterschiedliche zeitliche Verläufe ihrer Messsignale empfangen und auf diese Weise eine Bestimmung der Rotationszustandsgrößen möglich ist.Advantageously, at least two radiation receivers are included, which are arranged to receive parts of the radiation that pass or are reflected on opposite sides of the rotating body. This takes advantage of the fact that, depending on the position of rotation, the shading or reflection from the rotation body runs differently on the opposite sides of the rotation body during its rotation, so that ambiguities that would arise if only one radiation receiver were used can be eliminated. Alternatively, two radiation receivers can also be arranged next to one another along the axis of rotation of the rotating body, but on the same side of the rotating body, in which case the rotating body is preferably configured differently in its axial direction, so that these two radiation receivers receive and record different temporal profiles of their measurement signals in this way a determination of the rotation state variables is possible.

Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können auch mehrere derartige Anordnungen auf einer Welle nebeneinander angebracht werden, wobei vorzugsweise ein Winkelversatz zwischen den Systemen realisiert wird.To increase the measuring accuracy, several such arrangements can also be arranged next to one another on a shaft, an angular offset between the systems preferably being realized.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Auswertungsvorrichtung eingerichtet, ein Verhältnis und/oder eine Differenz der von den wenigstens zwei Strahlungsempfängern empfangenen Strahlung zu bilden. So ist eine Quotientenbildung dazu geeignet, Fluktuationen der Strahlungsquelle auszuschließen, da diese sich in dem Quotienten herausteilen. Eine Differenzmessung ergibt ein Kompositsignal, welches eine verbesserte Auflösung von Mehrdeutigkeiten bereitstellen kann.In an advantageous development, the evaluation device is set up to form a ratio and / or a difference in the radiation received by the at least two radiation receivers. For example, forming a quotient is suitable for excluding fluctuations in the radiation source, since these are divided into the quotient. A difference measurement results in a composite signal which can provide an improved resolution of ambiguities.

Wenn vorteilhafterweise zwei oder mehr strahldivergente und/oder strahlkonvergente Messsysteme, insbesondere mit einer gemeinsamen Auswertungsvorrichtung, umfasst sind, wobei die zwei oder mehr strahldivergenten Messsysteme unter einem Winkel zueinander bezüglich des Rotationskörpers angeordnet sind, wobei insbesondere die zwei oder mehr strahldivergenten Messsysteme geometrisch gegeneinander abgeschirmt sind und/oder bei Betrieb mit unterschiedlichen Messfrequenzen, alternativ oder zusätzlich mit Frequenzfiltern, insbesondere Bandpassfiltern oder Kantenfiltern, gegeneinander abgeschirmt sind, dann ist es möglich, die Genauigkeit der Messung zu verbessern und Mehrdeutigkeiten der Messsignale zu unterdrücken.If two or more beam-divergent and / or beam-convergent measuring systems are advantageously included, in particular with a common evaluation device, the two or more beam-divergent measuring systems being arranged at an angle to one another with respect to the rotating body, the two or more beam-divergent measuring systems in particular being geometrically shielded from one another and / or when operating with different measuring frequencies, alternatively or additionally with frequency filters, in particular bandpass filters or edge filters, are shielded against one another, then it is possible to improve the accuracy of the measurement and to suppress ambiguities of the measuring signals.

Eine Ausführungsform besteht aus einer Kombination von abschattungs- und reflexionsbasierten Messsystemen.One embodiment consists of a combination of shadowing and reflection-based measurement systems.

Eine besonders einfache Ausführungsform besteht darin, dass zwei Strahlungsempfänger als flächige Strahlungsempfänger ausgebildet sind, die jeweils einen Teil der divergenten Strahlung abdecken, während in einer anderen, ebenfalls einfachen Ausführungsform zwei, insbesondere in Bezug auf die Rotationsachse des Rotationskörpers zueinander symmetrische, Kombinationen aus jeweils einem kleinflächigen Strahlungsempfänger und jeweils einem fokussierenden Element umfasst sind, insbesondere einer Linse oder Linsenkombination oder einem fokussierenden Spiegel, mittels dessen ein jeweiliger Teil der divergenten Strahlung auf den kleinflächigen Strahlungsempfänger fokussiert wird. Die erstgenannte Ausführungsform kann auf Fokussierung der Elemente auf Empfängerseite verzichten, während die zweite alternative Ausführungsform, in denen Fokussierung der Elemente verwendet werden, kleinflächige Strahlungsempfänger verwendet, welche sehr kostengünstig und reaktionsschnell sind.A particularly simple embodiment consists in that two radiation receivers are designed as flat radiation receivers, each of which covers part of the divergent radiation, while in another, likewise simple embodiment, two, in particular with respect to the axis of rotation of the rotating body mutually symmetrical combinations of a small-area radiation receiver and a focusing element are included, in particular a lens or lens combination or a focusing mirror, by means of which a respective part of the divergent radiation is focused on the small-area radiation receiver. The first-mentioned embodiment can do without focusing of the elements on the receiver side, while the second alternative embodiment, in which focusing of the elements is used, uses small-area radiation receivers, which are very inexpensive and responsive.

In Ausführungsformen der Erfindung sind Spiegel vorhanden, die auf Seiten der Strahlungsquelle die Strahlung aufweiten oder bündeln, und/oder die auf Seiten des wenigstens einen Strahlungsempfängers die Teile der Strahlung beiderseits des Rotationskörpers bündeln oder aufweiten. Auf diese Weise wird ein anisotroper, also divergierender oder konvergierender optischer Strahlengang hergestellt, der sehr kleinbauend verwirklicht werden kann. Als spiegelnde Elemente bieten sich Hohlspiegel an, jedoch können auch konvexe Spiegel eingesetzt werden. Derartige Hohlspiegel können sehr kostengünstig innerhalb eines Sensorgehäuses durch Verspiegelung einer geeigneten Form realisiert werden.In embodiments of the invention, mirrors are provided which expand or bundle the radiation on the radiation source side and / or which bundle or expand the parts of the radiation on both sides of the rotating body on the side of the at least one radiation receiver. In this way, an anisotropic, that is to say diverging or converging optical beam path is produced, which can be realized in a very small size. Concave mirrors are suitable as reflective elements, but convex mirrors can also be used. Such concave mirrors can be realized very inexpensively within a sensor housing by mirroring a suitable shape.

Wenn der Rotationskörper wenigstens abschnittsweise teiltransparent oder transparent bzw. teilreflektierend oder reflektierend ausgebildet ist, eröffnet dies weitere Möglichkeiten zur Signalformung und Verbesserung der Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten. Der Rotationskörper kann im Falle einer teilreflektierenden oder reflektierenden Ausbildung vorteilhafterweise reflektierend spiegelnd oder rau streuend reflektierend ausgebildet sein. Vorzugsweise weist in einer Reflexionsanordnung der Reflektor eine raue reflektierende Oberfläche auf. Gegenüber einer glatten spiegelnden Oberfläche kann hierdurch der mit einem Detektor erfassbare Drehwinkelbereich deutlich erhöht werden.If the rotating body is partially transparent or transparent or partially reflective or reflective, at least in sections, this opens up further possibilities for signal shaping and improvement of the suppression of ambiguities. In the case of a partially reflective or reflective design, the rotary body can advantageously be designed to be reflective, reflective or roughly reflective. In a reflection arrangement, the reflector preferably has a rough reflecting surface. Compared to a smooth, reflecting surface, the range of rotation angles that can be detected with a detector can be significantly increased.

Eine Gestaltung des Rotationskörpers, in dem von innen nach au-ßen hin die Transparenz bzw. Reflektivität des Rotationskörpers gegenüber der verwendeten Messfrequenz ansteigt, kann so gewählt werden, dass ein weitgehend linearer Signalverlauf eingestellt wird. Bei einem Rotationskörper, der beispielsweise mit mehreren Flügeln ausgestattet ist, können die einzelnen Flügel, die ansonsten geometrisch gleichartig ausgebildet sein können, mit unterschiedlichen Transparenzverläufen ausgebildet sein, um charakteristische Signalverläufe zu erzeugen, die in einer Signalanalyse in der Auswertungsvorrichtung voneinander unterscheidbar sind, sodass die Periodizität des Messsignals auf 360° maximiert wird. Ebenfalls eröffnet dies die Möglichkeit, beispielsweise in Richtung der Rotationsachse axial nebeneinanderliegende Bereiche des Rotationskörpers mit unterschiedlicher Transparenz zu versehen und bei der Messung die Bereiche mit unterschiedlicher Transparenz getrennt voneinander zu behandeln sodass auch in diesem Fall Mehrdeutigkeiten, die bei der Verwendung nur eines Systems noch auftreten könnten, unterdrückt werden.A design of the rotating body in which the transparency or reflectivity of the rotating body increases from the inside to the outside in relation to the measurement frequency used can be selected in such a way that a largely linear signal curve is set. In the case of a rotating body which is equipped, for example, with a plurality of vanes, the individual vanes, which can otherwise be geometrically identical, can be designed with different transparency profiles in order to generate characteristic signal profiles that can be distinguished from one another in a signal analysis in the evaluation device, so that the Periodicity of the measurement signal is maximized to 360 °. This also opens up the possibility, for example, of providing axially adjacent regions of the rotating body with different transparency in the direction of the axis of rotation and treating the regions with different transparency separately from one another during measurement, so that in this case too, ambiguities that still occur when using only one system could be suppressed.

Vorzugsweise ist oder sind ein oder mehrere optische Elemente zur Optimierung, insbesondere Linearisierung, einer Intensitätsverteilung der divergenten oder konvergenten Strahlung umfasst. Dies bedeutet in einer Ausführungsform, dass ein reflektierendes Element auf Seiten der Strahlungsquelle so geformt ist und gegebenenfalls mit einer solchen Reflexivität bzw. dessen Verlauf ausgestattet ist, dass sich ein Profil der Lichtintensität innerhalb des Strahlungsfeldes einstellt, welches zu einer Optimierung, beispielsweise Linearisierung, der Signalverläufe führt. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Filter, beispielsweise eine teiltransparente Scheibe mit voreingestelltem Transparenzverlauf, eingesetzt werden, welche als Filter die Intensitätsverteilung der Strahlung modelliert.One or more optical elements for optimizing, in particular linearizing, an intensity distribution of the divergent or convergent radiation are preferably included. In one embodiment, this means that a reflective element on the radiation source side is shaped and optionally equipped with such a reflectivity or its course that a profile of the light intensity within the radiation field is established, which leads to an optimization, for example linearization, of the Waveforms leads. Alternatively or additionally, a filter, for example a partially transparent pane with a preset transparency curve, can be used, which models the intensity distribution of the radiation as a filter.

Vorzugsweise ist eine Einrichtung zur Stabilisierung oder Referenzierung der Lichtquelle umfasst, mittels der die Lichtquelle stabilisiert oder Schwankungen in der Strahlungsintensität der Lichtquelle in den gemessenen Signalen kompensiert werden. Eine Stabilisierung beispielsweise durch Stabilisierung der Stromstärke und/oder Stromspannung, die der Lichtquelle zugeführt wird bzw. werden, oder durch Messung einer momentanen Lichtstärke, die an die Stromquelle rückgekoppelt wird, verbessert die Messgenauigkeit. Ebenfalls kann die Messung der momentanen Lichtstärke der Lichtquelle als Referenz für die gemessenen Signale benutzt werden, beispielsweise durch Bildung des Verhältnisses aus gemessenem Signal und gemessener momentaner Lichtstärke.A device for stabilizing or referencing the light source is preferably included, by means of which the light source is stabilized or fluctuations in the radiation intensity of the light source are compensated for in the measured signals. Stabilization, for example by stabilizing the current intensity and / or voltage that is or are supplied to the light source, or by measuring an instantaneous light intensity that is fed back to the current source, improves the measurement accuracy. The measurement of the instantaneous light intensity of the light source can also be used as a reference for the measured signals, for example by forming the ratio of the measured signal and the measured instantaneous light intensity.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur berührungslosen Rotationsmessung in einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst, bei dem eine divergente oder konvergente Strahlung auf den Rotationskörper der Vorrichtung geworfen wird, wobei

  1. a) an wenigstens einer Seite des Rotationskörpers vorbei gelangende Strahlung in wenigstens einem Strahlungsempfänger der Vorrichtung erfasst wird und/oder
  2. b) wenigstens ein Teil der von dem Rotationskörper reflektierten Strahlung in wenigstens einem Strahlungsempfänger der Vorrichtung erfasst wird,
und aus der Menge der erfassten Strahlung und/oder wenigstens einer daraus abgeleiteten Größe wenigstens eine Rotationszustandsgröße der Rotation des Rotationskörpers ermittelt wird.The object on which the invention is based is also achieved by a method for non-contact rotation measurement in a device according to the invention described above, in which a divergent or convergent radiation is thrown onto the body of rotation of the device, wherein
  1. a) radiation passing at least one side of the rotating body is detected in at least one radiation receiver of the device and / or
  2. b) at least part of the radiation reflected by the rotating body is detected in at least one radiation receiver of the device,
and from the amount of radiation detected and / or at least one quantity derived therefrom at least one rotational state variable of the rotation of the rotating body is determined.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht die gleichen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile wie die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung und beruht im Wesentlichen auf der Auswertung von Detektor-Analogsignalen, die durch Schattenwurf eines abschattenden Rotationskörpers bzw. durch den Wurf des Licht- bzw. Strahlungskegels eines reflektierenden Rotationskörpers im divergenten Strahlungsfeld entstehen.The method according to the invention realizes the same properties, features and advantages as the device according to the invention described above and is essentially based on the evaluation of detector analog signals which are caused by the shadow cast by a shading rotating body or by the throw of the light or radiation cone of a reflecting rotating body in the divergent radiation field arise.

Wie bereits erwähnt, kann das entstehende Messsignal bzw. können die entstehenden Messsignale je nach Eigenschaften des Feldes der ausgesandten Strahlung und der Form und der Verteilung der Transparenz des Rotationskörpers nichtlinear sein, in jedem Fall charakteristisch. Da allerdings der Verlauf der Menge des empfangenen Lichtspiels bzw. der empfangenen Strahlung für jede Winkeleinstellung des Rotationskörpers bei vorhandenem Strahlungsfeld reproduzierbar ist und entweder berechnet oder vermessen werden kann, ist es eine Frage der Kalibrierung der Vorrichtung, aus konkreten Messwerten im Betrieb auf einen Rotationszustand bzw. eine Rotationszustandsgröße rückzuschließen.As already mentioned, depending on the properties of the field of the emitted radiation and the shape and distribution of the transparency of the rotating body, the measuring signal or the resulting measuring signals can be non-linear, in any case characteristic. However, since the course of the amount of light play or the received radiation can be reproduced for each angle setting of the rotating body in the presence of a radiation field and can either be calculated or measured, it is a question of calibrating the device from concrete measured values during operation to a rotation state or to infer a rotational state quantity.

Im einfachsten Fall werden ein, zwei oder mehrere Messsignale bezüglich Strahlungsintensitäten erfasst und an die Auswertungsvorrichtung weitergeleitet, welche dann mithilfe einer Look-Up-Tabelle oder einer einfachen Berechnung aufgrund von Modellen oder bekannten Messwerten die Rotationszustandsgröße ermittelt. Die Auswertungsvorrichtung selbst kann als prozessorbasierter Computer, aber auch in einfacher Weise beispielsweise als FPGA (field programmable gate array) ausgebildet sein. Die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt.In the simplest case, one, two or more measurement signals relating to radiation intensities are recorded and passed on to the evaluation device, which then uses a look-up table or a simple calculation on the basis of models or known measurement values to determine the rotation state variable. The evaluation device itself can be designed as a processor-based computer, but also in a simple manner, for example as an FPGA (field programmable gate array). The invention is not limited to this.

Die Auswertung der Wechselanteile und der Gleichanteile der Empfangssignale ermöglicht außerdem die Kompensation individueller Veränderungen der optischen Lichtpfade. Zur weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit ist vorgesehen, die Strahlungsquelle zu modulieren, so dass der Einfluss von Fremdlicht bzw. Störlicht aus der Umgebung unterdrückt werden kann.The evaluation of the alternating components and the direct components of the received signals also enables the compensation of individual changes in the optical light paths. To further improve the measurement accuracy, it is provided to modulate the radiation source so that the influence of extraneous light or stray light from the surroundings can be suppressed.

Wenn mittels wenigstens zwei Strahlungsempfängern Strahlung erfasst wird, die auf entgegengesetzten Seiten des Rotationskörpers vorbeigelangt ist, und aus den erfassten Mengen an Strahlung eine Differenz und/oder ein Verhältnis berechnet wird, aus dem wenigstens eine Rotationszustandsgröße der Rotation des Rotationskörpers ermittelt wird, so hat dies den Vorteil, dass bei einer Berechnung des Verhältnisses Fluktuationen in der Lichtintensität bzw. Strahlungsintensität keinen Einfluss auf das Messergebnis haben, da beide Kanäle in gleicher Weise hiervon betroffen sind. Eine Differenzmessung der beiden Kanäle führt zu einem zusammengesetzten Signal, welches zur Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten eingesetzt werden kann. Die Messung von Verhältnissen kann auch zur Kompensation von längerfristigen Drifts verwendet werden.If at least two radiation receivers detect radiation that has passed on opposite sides of the rotating body and a difference and / or a ratio is calculated from the detected amounts of radiation, from which at least one rotational state variable of the rotation of the rotating body is determined, this has the advantage that fluctuations in the light intensity or radiation intensity have no influence on the measurement result when calculating the ratio, since both channels are affected in the same way. A difference measurement of the two channels leads to a composite signal which can be used to suppress ambiguities. Ratio measurement can also be used to compensate for long-term drifts.

Vorteilhafterweise wird oder werden als Rotationszustandsgröße eine Winkellage, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung und/oder Rotationsrichtung des Rotationskörpers ermittelt.Advantageously, an angular position, angular velocity, angular acceleration and / or direction of rotation of the rotating body is or are determined as the rotational state variable.

Die für diese Rotationszustandsgrößenbestimmung genutzten Störkompensationen, bspw. der Lagefehler des Rotors, können als zusätzliche Information zur Lage der Drehachse ausgegeben werden.The interference compensations used for this determination of the rotational state size, for example the position error of the rotor, can be output as additional information on the position of the axis of rotation.

Die Signalverläufe für einen Regelfall, in dem der Rotationskörper auf seiner vorherbestimmten Rotationsachse rotiert, sind einfach zu messen oder zu berechnen und wiederholen sich mit jeder Umdrehung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemä-ße Verfahren bieten zusätzlich die Möglichkeit, aus Abweichungen von regelhaften Messungen auf Abweichungen vom Regelbetrieb zu schließen, insbesondere Schwingungen und/oder Verschiebungen der Rotationsachse oder unsymmetrische Last. Jede Abweichung des Rotationskörpers bezüglich der Normallage, also auf die nominale Rotationsachse zentriert, führt zu einer Beeinflussung des Messsignals in wenigstens einem Kanal. Diese charakteristische Abweichung kann zu einer Berechnung der Abweichung von der nominalen Rotationsachse verwendet werden, deren zeitlicher Verlauf außerdem dazu verwendet werden kann, permanente Verschiebungen oder auch zeitlich veränderliche Abweichungen wie Vibrationen oder Erschütterungen zu ermitteln.The signal curves for a normal case in which the rotating body rotates on its predetermined axis of rotation are easy to measure or calculate and are repeated with every revolution. The device according to the invention and the method according to the invention additionally offer the possibility of inferring deviations from regular operation from deviations from regular measurements, in particular vibrations and / or displacements of the axis of rotation or asymmetrical load. Any deviation of the rotating body with respect to the normal position, that is to say centered on the nominal axis of rotation, leads to an influencing of the measurement signal in at least one channel. This characteristic deviation can be used to calculate the deviation from the nominal rotation axis, the course of which can also be used to determine permanent displacements or also deviations that change over time, such as vibrations or shocks.

Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.Further features of the invention will become apparent from the description of embodiments according to the invention together with the claims and the accompanying drawings. Embodiments according to the invention can fulfill individual features or a combination of several features.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:

  • 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Querschnitt,
  • 2 Signalverläufe von Messgrößen und abgeleiteten Messgrößen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1,
  • 3 einen zeitlichen Verlauf eines Messsignals eines auslaufenden Rotationskörpers,
  • 4a) - 4d) Varianten erfindungsgemäßer Vorrichtungen in schematischer Darstellung,
  • 5a) - 5d) Varianten erfindungsgemäß einsetzbarer Rotationskörper im Querschnitt,
  • 6a) - 6d) Varianten erfindungsgemäß einsetzbarer Rotationskörper in Draufsicht,
  • 7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Reflexionsanordnung und
  • 8 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung in Reflexionsanordnung.
The invention is described below without restricting the general inventive concept on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings, reference being expressly made to the drawings with regard to all details according to the invention not explained in more detail in the text. Show it:
  • 1 schematically a device according to the invention in cross section,
  • 2nd Signal curves of measured variables and derived measured variables according to a device according to the invention 1 ,
  • 3rd a time course of a measurement signal of a rotating body,
  • 4a) - 4d ) Variants of devices according to the invention in a schematic representation,
  • 5a) - 5d ) Variants of rotary bodies which can be used according to the invention in cross section,
  • 6a) - 6d ) Variants of a rotating body that can be used according to the invention in plan view
  • 7 a device according to the invention in a reflection arrangement and
  • 8th another device according to the invention in a reflection arrangement.

In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.In the drawings, the same or similar elements and / or parts are provided with the same reference numerals, so that a renewed presentation is not given.

1 zeigt eine Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung zur berührungslosen Rotationsmessung in einer schematischen Querschnittsdarstellung. Zentral befindet sich ein als Flügelrad mit 2 Flügeln ausgebildeter Rotationskörper 12, der auf einer zentralen Rotationsachse 14, die in die Bildebene hineinreicht, rotierend gelagert ist. Ein strahldivergentes Messsystem 20 für den Rotationskörper 12 umfasst eine kleine Strahlungsquelle 22 als Teil eines Sendesystems, welches neben der Strahlungsquelle 22 einen als Hohlspiegel ausgebildeten Spiegel 23 und ein Filterelement 25 umfasst, wobei der Spiegel 23 Strahlung von der Strahlungsquelle 22 in Richtung auf den Rotationskörper 12 lenkt und das Filterelement 25, welches optional ist, dazu dient, als Blende die Strahlung zu begrenzen und gegebenenfalls mit verlaufender Transparenz zu modellieren. Es ergibt sich somit ein divergierender optischer Pfad 24, der durch Einhüllende 26, 26` nach außen begrenzt ist. Dieser optische Pfad 24 umfasst den maximalen Umfangsrotationskreis 16 des Rotationskörpers 12. 1 shows a device 10 According to the invention for contactless rotation measurement in a schematic cross-sectional representation. In the center is a rotating body designed as an impeller with two blades 12th that is on a central axis of rotation 14 , which extends into the image plane, is rotatably supported. A beam divergent measuring system 20 for the rotating body 12th includes a small radiation source 22 as part of a transmission system which, in addition to the radiation source 22 a mirror designed as a concave mirror 23 and a filter element 25th includes, the mirror 23 Radiation from the radiation source 22 towards the rotating body 12th steers and the filter element 25th , which is optional, serves as a diaphragm to limit the radiation and, if necessary, to model it with a gradual transparency. The result is a diverging optical path 24th by the envelope 26 '26' is limited to the outside. This optical path 24th includes the maximum circumferential rotation circle 16 of the rotating body 12th .

In dem in 1 gezeigten Ausgangsbeispiel ist die Einhüllende 26, 26` eine Tangente an den Umfangsrotationskreis 16, sodass bei jeder vollen Umdrehung des Rotationskörpers 12 die obere Hälfte des optischen Pfads bzw. die untere Hälfte des optischen Pfads 24 jeweils einmal vollständig abgeschattet ist, und zwar zu unterschiedlichen Zeiten, entsprechend einem Phasenversatz. In alternativen Ausführungsformen kann der optische Pfad 24 so gewählt sein, dass er seitlich gegenüber dem maximalen Umfangsrotationskreis 16 weiter ist, sodass auch im Fall der maximalen Abdeckung noch Licht bzw. Strahlung an dem Rotationskörper 12 vorbei gelangt. Eine solche Anordnung ist robust gegenüber Vibrationen oder Lageveränderungen des Rotationskörpers 12 auf der Rotationsachse 14.In the in 1 The initial example shown is the envelope 26 , 26 'a tangent to the circumferential rotation circle 16 , so that with every full rotation of the rotating body 12th the upper half of the optical path or the lower half of the optical path 24th is completely shaded once at different times, corresponding to a phase shift. In alternative embodiments, the optical path 24th be chosen so that it is laterally opposite the maximum circumferential rotation circle 16 is further, so that even in the case of maximum coverage there is still light or radiation on the rotating body 12th passed by. Such an arrangement is robust against vibrations or changes in position of the rotating body 12th on the axis of rotation 14 .

Auf der der Strahlungsquelle 22 gegenüberliegenden Seite des Rotationskörpers 12 befinden sich Strahlungsempfänger 32, 34, die jeweils Strahlung empfangen, die in der oberen Hälfte bezifferte unteren Hälfte des optischen Pfad 24 an dem Rotationskörper 12 vorbeigelangt. Hierzu wird die vorbeigelangte Strahlung mittels als Hohlspiegel ausgebildeter Spiegel 33, 35 auf die kleinflächigen Strahlungsempfänger 22, 34 fokussiert. In dem gezeigten Ausgangsbeispiel kann es sich bei der Strahlungsquelle 22 um eine Standard-LED handeln, während die Strahlungsempfänger 32, 34 in einfacher Weise als Photodioden ausgebildet sein können. Anstelle von sichtbarem Licht können auch unsichtbare Wellenlängenbereiche, beispielsweise Infrarot, Ultraviolett, HF (Hochfrequenz) oder Mikrowellen zum Einsatz kommen.On that of the radiation source 22 opposite side of the rotating body 12th are radiation receivers 32 , 34 each receiving radiation, the lower half of the optical path numbered in the upper half 24th on the rotating body 12th passed by. For this purpose, the radiation that has passed is formed by means of mirrors designed as concave mirrors 33 , 35 on the small-area radiation receivers 22 , 34 focused. In the starting example shown, the radiation source can be different 22 act as a standard LED while the radiation receiver 32 , 34 can be designed in a simple manner as photodiodes. Instead of visible light, invisible wavelength ranges, for example infrared, ultraviolet, HF (high frequency) or microwaves, can also be used.

Die Krümmungen des Spiegels 23 und der Spiegel 33, 35 sind so aufeinander abgestimmt, dass bei allgemein divergierendem optischen Pfad 24 in Form eines Lichtfächers eine Punktabbildung der Strahlungsquelle 22 auf die Strahlungsempfänger 32, 34 erfolgt.The curvatures of the mirror 23 and the mirror 33 , 35 are coordinated so that with a generally diverging optical path 24th a point image of the radiation source in the form of a fan of light 22 on the radiation receiver 32 , 34 he follows.

Schematisch ist noch eine Auswertungsvorrichtung 40 dargestellt, die die Messsignale der Strahlungsempfänger 32, 34 empfängt und verarbeitet, Rotationszustandsgrößen aus den Messsignalen ermittelt und gegebenenfalls die Strahlungsquelle 22 steuert.Another evaluation device is schematic 40 shown the measurement signals of the radiation receiver 32 , 34 receives and processes, determines rotational state variables from the measurement signals and, if necessary, the radiation source 22 controls.

Aus dem strahldivergenten System der 1 lässt sich durch einfache optische Umkehrung ein strahlkonvergentes System machen. Dazu wird die Strahlungsquelle 22 durch einen Strahlungsempfänger ersetzt und die beiden Strahlungsempfänger 32, 34 durch Strahlungsquellen. Damit ist das Strahlenbündel am Ort des Rotationskörpers 12 nicht mehr divergent, sondern konvergent.From the beam divergent system of 1 a beam convergent system can be made by simple optical inversion. This is the source of radiation 22 replaced by a radiation receiver and the two radiation receivers 32 , 34 through radiation sources. The beam is now at the location of the rotating body 12th no longer divergent, but convergent.

Um auch in diesem Fall eine Unterscheidung zwischen der oberen und der unteren Hälfte der Anordnung herzustellen, können die Strahlungsquellen verschiedenfarbig sein oder unterschiedlich moduliert werden, beispielsweise durch abwechselnde Beschaltung oder durch hochfrequente Modulationen mit voneinander unterschiedlichen Frequenzen, die sich in einer anschließenden Frequenzanalyse des Messsignals wiederum voneinander trennen lassen. Die beiden gewünschten Messsignale sind dann als Amplitudenmodulation auf einem Trägersignal verfügbar. Die Modulationsgeschwindigkeit des Trägersignals sollte dabei vorzugsweise wenigstens doppelt so groß sein wie die größte zu erwartende Frequenz des eigentlichen Messsignals und ist durch die Schaltgeschwindigkeit der Strahlungsquellen nach oben begrenzt.In order to make a distinction between the upper and the lower half of the arrangement in this case as well, the radiation sources can be of different colors or be modulated differently, for example by alternating wiring or by high-frequency modulations with mutually different frequencies, which in turn can be found in a subsequent frequency analysis of the measurement signal separate from each other. The two desired measurement signals are then available as amplitude modulation on a carrier signal. The modulation speed of the carrier signal should preferably be at least twice as large as the largest frequency to be expected of the actual measurement signal and is limited by the switching speed of the radiation sources.

2 zeigt für das Ausgangsbeispiel der 1 einen typischen Verlauf der Messsignale in Bezug auf die Menge des detektierten Lichts in willkürlichen Einheiten auf der vertikalen Achse in Abhängigkeit des Drehwinkels des Rotationskörpers 12, der für einen Drehwinkel zwischen 0° und 540° aufgetragen ist, entsprechend einundeinhalb vollständiger Umdrehungen. Der Rotationskörper 12 hat eine 2-zählige Rotationssymmetrie, sodass sich jedes einzelne Messsignal nach 180° wiederholt. Zur Verdeutlichung sind die verschiedenen Signalverläufe in zwei der drei 180°-Perioden bezeichnet, um zu verdeutlichen, dass sich wiederholende Verläufe jeweils einen zusammenhängenden Signalverlauf bilden. 2nd shows for the initial example the 1 a typical course of the measurement signals in relation to the amount of light detected in arbitrary units on the vertical axis depending on the angle of rotation of the rotating body 12th , which is plotted for an angle of rotation between 0 ° and 540 °, corresponding to one and a half complete revolutions. The rotating body 12th has a 2-fold rotational symmetry, so that every single measurement signal is repeated after 180 °. For clarification, the different signal profiles in two of the three 180 ° periods are designated in order to clarify that repeating profiles each form a coherent signal profile.

Mit PD1 und PD2 sind die direkten analogen Messsignale der Strahlungsempfänger 32 bzw. 34 bezeichnet. Diese sind auf einen Maximalwert von 1 normiert und schwanken zwischen 0 bei vollständiger Abdeckung und 1 bei minimaler Abdeckung, d. h., wenn der Rotationskörper 12 in der Darstellung von 1 in seiner waagerechten Position ist. Dies ist bei den Drehwinkelpositionen 0°, 180°, 360° und 540° der Fall. Innerhalb jeder einzelnen Periode von 180° ist allerdings erkennbar, dass die Verläufe der Messsignale PD1 und PD2 zueinander spiegelsymmetrisch sind und das Minimum von 0 zunächst im Messsignal PD2, in diesem Fall bei ca. 68°, und erst später im Messsignal PD1, in diesem Fall bei ca. 112°, erreicht wird. Dies ist eine direkte Folge der divergenten Aufweitung des Strahlungsfeldes. Für den Fall, dass das Messsignal PD1 vom Strahlungsempfänger 32 stammt und das Messsignal PD2 vom Strahlungsempfänger 34, bedeutet dies, dass der Körper 12 sich in der Darstellung der 1 gegen den Uhrzeigersinn um die Rotationsachse 14 dreht.With PD1 and PD2 are the direct analog measurement signals of the radiation receiver 32 or. 34 designated. These are standardized to a maximum value of 1 and fluctuate between 0 with complete coverage and 1 with minimal coverage, ie when the rotating body 12th in the representation of 1 is in its horizontal position. This is the case for the rotation angle positions 0 °, 180 °, 360 ° and 540 °. Within each individual period of 180 °, however, it can be seen that the courses of the measurement signals PD1 and PD2 are mirror-symmetrical to each other and the minimum of 0 initially in the measurement signal PD2 , in this case at approx. 68 °, and only later in the measurement signal PD1 , in this case at approx. 112 °. This is a direct consequence of the divergent expansion of the radiation field. In the event that the measurement signal PD1 from the radiation receiver 32 comes and the measurement signal PD2 from the radiation receiver 34 , it means that the body 12th themselves in the representation of the 1 counterclockwise around the axis of rotation 14 turns.

Dies ist damit zu erklären, dass bei der Rotation des Rotationskörpers 12 in 1 aus der waagerechten Lage heraus gegen den Uhrzeigersinn nach einer Rotation um ca. 30°, wie in 1 dargestellt, trotz gleicher Winkellage verschiedene Anteile des divergenten Strahlungsfeldes abgeschattet werden. So ist der auf der rechten Seite dargestellte Flügel des Rotationskörpers 12, der in die obere Hälfte hineinragt, absolut zwar genauso weit von der gestrichelt gezeichneten Symmetrieachse des Messsystems entfernt wie das Ende des links dargestellten Flügels des Rotationskörpers 12, schattet jedoch aufgrund der höheren Ausweitung des Feldes an dieser Stelle einen kleineren Anteil der Strahlung in der oberen Hälfte ab als in der unteren Hälfte abgeschattet wird. Bei einem nicht divergenten Strahlengang wäre der Anteil des abgeschatteten Lichts in der oberen Hälfte und in der unteren Hälfte gleich. Spiegelbildliche Positionen des Rotationskörpers 12, wie z.B. 60° und 120°, wären nicht zu unterscheiden.This can be explained by the fact that the rotation of the rotating body 12th in 1 from the horizontal position counterclockwise after a rotation of approx. 30 °, as in 1 shown, different parts of the divergent radiation field are shaded despite the same angular position. So is the wing of the rotating body shown on the right side 12th that protrudes into the upper half, absolutely as far from the dashed line of symmetry of the measuring system as the end of the wing of the rotating body shown on the left 12th , however, due to the greater expansion of the field, shadows a smaller proportion of the radiation in the upper half than is shadowed in the lower half. With a non-divergent beam path, the proportion of shadowed light would be the same in the upper half and in the lower half. Mirrored positions of the rotating body 12th , such as 60 ° and 120 °, could not be distinguished.

Ebenfalls dargestellt ist ein Differenzsignal PD1-PD2, welches in seiner Form an eine Sinusform angenähert ist und somit für eine Signalverarbeitung gegebenenfalls einfacher zu handhaben ist. Ferner sind auch die Verhältnisse PD1/PD2 und PD2/PD1 dargestellt, die in diesem Fall zwischen ca. 0,3 und 3,5 variieren und jeweils wiederum zueinander in den 180°-Signalzügen spiegelbildlich zueinander verlaufen. Diese abgeleiteten Signalverläufe sind hochgradig nichtlinear, für den Aufbau des Messsystems und des Rotationskörpers 12 stark charakteristisch und eignen sich sehr gut für eine Ermittlung von Rotationszustandsgrößen. Jede Abweichung des Rotationskörpers 12 von seiner zentralen Rotationsachse 14 aufgrund von Schwingungen o.ä. führt zu einer Abweichung der gemessenen Verläufe von den in 2 dargestellten idealen Verläufen und kann zur Fehlerzustandsermittlung verwendet werden.A difference signal is also shown PD1-PD2 , which is approximated in its shape to a sinusoidal shape and may therefore be easier to handle for signal processing. Furthermore, the conditions are also PD1 / PD2 and PD2 / PD1 shown, which in this case vary between approx. 0.3 and 3.5 and in turn each mirror the other in the 180 ° signal trains. These derived waveforms are highly non-linear, for the construction of the measuring system and the rotating body 12th highly characteristic and are very suitable for determining rotational state variables. Any deviation of the rotating body 12th from its central axis of rotation 14 due to vibrations or the like leads to a deviation of the measured courses from the in 2nd illustrated ideal courses and can be used for fault status determination.

3 zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf eines Messsignals, beispielsweise des Signals PD1 des Strahlungsempfängers 32, im Falle einer sich verlangsamenden Rotation. Die horizontale Achse listet Abtastpunkte auf und ist proportional zum zeitlichen Verlauf. Die Messung kann mit einer Frequenz von beispielsweise mehreren 1000 oder 10.000 Abtastungen pro Sekunde erfolgen. Das normierte Signal variiert zwischen ca. 0,03 im Minimum und 1 im Maximum. Dies bedeutet, dass auch im Zeitpunkt der maximalen Abschattung noch Licht am Rotationskörper 12 vorbeigelangt. Nach einer Serie von etwa gleich langen Rotationszyklen verlangsamt sich die Rotation ungefähr ab dem Abtastpunkt 30.000, bis die Rotation nach dem Abtastpunkt 60.000 im Wesentlichen ganz aufhört. Zwischen ca. 63.000 und 80.000 findet ein Ausschwingen mit einer Rückbewegung und die endgültige Einstellung in die Vorzugslage statt. 3rd shows a typical time course of a measurement signal, for example the signal PD1 of the radiation receiver 32 , in the case of a slowing rotation. The horizontal axis lists sampling points and is proportional to the time course. The measurement can be carried out at a frequency of, for example, several 1000 or 10,000 samples per second. The standardized signal varies between approx. 0.03 in the minimum and 1 in the maximum. This means that even at the time of maximum shading, there is still light on the rotating body 12th passed by. After a series of approximately equally long rotation cycles, the rotation slows down approximately from the sampling point 30,000 until the rotation after the sampling point 60,000 essentially ceases entirely. Between approx. 63,000 and 80,000 there is a swinging out with a return movement and the final adjustment to the preferred position.

In den 4a) bis 4d) sind verschiedene Varianten erfindungsgemäßer Vorrichtungen 10 schematisch im Querschnitt dargestellt. Diese Vorrichtungen 10 umfassen jeweils Rotationskörper 12 und strahldivergente Messsysteme 201, 202, 203, 204. Das in 4a) dargestellte Messsystem 201 ist sehr einfach gestaltet und enthält eine Strahlungsquelle 22, die von einem Punkt aus ohne optische Ablenkungselemente ein divergentes Strahlungsfeld aussendet. Auf der anderen Seite in Bezug auf einen Rotationskörper 12 sind zwei flächige Strahlungsempfänger 32, 34 oberhalb und unterhalb einer Symmetrieachse (gestrichelt, ohne Bezugszeichen) dargestellt, die den nicht abgeschalteten Teil der Strahlung von der Strahlungsquelle 22 aufnehmen. Diese Variante kommt ohne weitere optische Elemente aus und ist daher sehr einfach aufgebaut.In the 4a) to 4d ) are different variants of devices according to the invention 10 shown schematically in cross section. These devices 10 each include rotating bodies 12th and beam divergent measuring systems 201 , 202 , 203 , 204 . This in 4a) shown measuring system 201 is very simple and contains a radiation source 22 , which emits a divergent radiation field from a point without optical deflection elements. On the other hand, in relation to a rotating body 12th are two flat radiation receivers 32 , 34 Shown above and below an axis of symmetry (dashed, without reference numerals), the part of the radiation not switched off from the radiation source 22 record, tape. This variant does not require any other optical elements and is therefore very simple.

Hiervon unterscheidet sich die Variante des Messsystems 202 aus 4b) darin, dass auf der Seite der Strahlungsquelle 22, die in diesem Fall als eine sehr kleine Strahlungsquelle ausgebildet ist, ein Spiegel 23 und ein Filterelement 25 gemäß der Ausführungsform aus 1 vorhanden sind, die zusammen die Verteilung des Strahlungsfeldes im optischen Pfad modellieren. Auf Seiten der Strahlungsempfänger sind jedoch wiederum zwei flächige Strahlungsempfänger 32, 34 eingesetzt, so dass die Notwendigkeit der Fokussierung empfangsseitig entfällt.The variant of the measuring system differs from this 202 out 4b) in that on the side of the radiation source 22 , which in this case is designed as a very small radiation source, a mirror 23 and a filter element 25th according to the Embodiment from 1 are present, which together model the distribution of the radiation field in the optical path. On the radiation receiver side, however, there are again two flat radiation receivers 32 , 34 used, so that the need for focusing on the receiving side is eliminated.

Das Messsystem 203 gemäß 4c) stellt sich in der gezeigten Querschnittsdarstellung wie die obere Hälfte des divergenten Messsystems 20 aus 1 dar. Obwohl auch ein einzelnes Messsystem erfindungsgemäß einsetzbar ist, kann ein zweites, gleich geartetes Messsystem in der Bildebene hinter dem dargestellten Messsystem 203 angeordnet sein. Durch eine ansprechende unterschiedliche Ausgestaltung der hiesigen Teile des Rotationskörpers, die von dem ersten Messsystem 203 und dem dahinterliegenden zweiten Messsystem gesehen werden, lässt sich jedoch eine unabhängige zweite Messung verwirklichen, sodass auch in diesem Fall wieder Differenzmessungen oder Messungen von Verhältnissen inklusive Phasenversatz zur Beseitigung von Mehrdeutigkeiten möglich werden. Ein zweites Messsystem könnte insofern auch unter einem anderen Winkel bezüglich des Rotationskörpers 12 angeordnet sein, um einen entsprechenden Phasenversatz herzustellen.The measuring system 203 according to 4c ) is shown in the cross-sectional representation as the upper half of the divergent measuring system 20 out 1 Although a single measuring system can also be used according to the invention, a second measuring system of the same type can be used in the image plane behind the measuring system shown 203 be arranged. Due to an appealing different design of the local parts of the rotating body, that of the first measuring system 203 and the underlying second measuring system can be seen, an independent second measurement can be implemented, so that in this case too, differential measurements or measurements of ratios including phase offset are possible to eliminate ambiguities. In this respect, a second measuring system could also be at a different angle with respect to the rotating body 12th be arranged to produce a corresponding phase shift.

Das divergente Messsystem 204 gemäß 4d) ist daran angepasst, dass der Rotationskörper 12 in diesem Fall nicht ein Flügel 100 ist, sondern einen dreieckigen Querschnitt hat, sodass ein nicht unerheblicher Teil des zentralen Strahlengangs immer abgeschattet ist. Daher wurde der Strahlengang in einem oberen und einen unteren Strahlengang aufgeteilt, zwischen denen eine Lücke klafft, die etwas weniger breit ist als der dauerhaft abgeschattete zentrale Teil des optischen Pfads. Die Krümmungen der Spiegel 25, 33, 35 sind an die veränderten geometrischen Verhältnisse angepasst, ansonsten entspricht diese Anordnung wiederum derjenigen aus 1.The divergent measuring system 204 according to 4d ) is adapted to the body of rotation 12th in this case not a grand piano 100 but has a triangular cross-section, so that a not inconsiderable part of the central beam path is always shaded. The beam path was therefore divided into an upper and a lower beam path, between which there is a gap that is slightly less wide than the permanently shaded central part of the optical path. The curvatures of the mirrors 25th , 33 , 35 are adapted to the changed geometric conditions, otherwise this arrangement corresponds to that 1 .

In 5a) bis 5d) sind 4 verschiedene Beispiele von Rotationskörpern im Querschnitt schematisch dargestellt. Bei dem in 5a) dargestellten Rotationskörper 12 handelt es sich um ein Flügelrad 121 mit zwei Flügeln, das um eine Rotationsachse 14, beispielsweise in Richtung der gestrichelten Pfeile, rotiert. Bei den Rotationskörpern von 122, 123 und 124 5b) bis 5d) handelt es sich um regelmäßige Polygone, nämlich im Querschnitt ein Dreieck, ein Quadrat und ein Sechseck. Solche Querschnittsformen sind beispielsweise als Messabschnitte für rotierende Wellen in Transmission und/oder Reflexion sehr geeignet, während das Flügelrad 121 als Strömungsmessgerät, beispielsweise in einem Flügelradzähler, vorzugsweise Einsatz findet.In 5a) to 5d ) 4 different examples of rotating bodies are shown schematically in cross section. At the in 5a) shown rotating body 12th it is an impeller 121 with two wings, that around an axis of rotation 14 , for example in the direction of the dashed arrows. For the rotating bodies of 122, 123 and 124 5b) to 5d ) are regular polygons, namely a triangle, a square and a hexagon in cross-section. Such cross-sectional shapes are very suitable, for example, as measuring sections for rotating waves in transmission and / or reflection, while the impeller 121 preferably used as a flow measuring device, for example in an impeller meter.

In den 6a) bis 6d) sind verschiedene Beispiele von Rotationskörpern 12 auf einer Rotationsachse 14 in einer frontalen Ansicht gezeigt. Es kann sich beispielsweise jeweils um ein Flügelrad handeln. In den verschiedenen Figuren sind schraffierte Bereiche für die verwendete Strahlung intransparent, während die nicht schraffierten und mit Bezugszeichen 50 gekennzeichneten Bereiche für die verwendete Strahlung transparent oder teilweise transparent sind. So lässt sich der Messsignalverlauf günstig einstellen, um eine genaue und sichere Ermittlung von Rotationszustandsgrößen zu erlauben.In the 6a) to 6d ) are different examples of rotating bodies 12th on an axis of rotation 14 shown in a frontal view. It can be an impeller, for example. In the various figures, hatched areas are opaque for the radiation used, while the non-hatched areas have reference numerals 50 marked areas are transparent or partially transparent to the radiation used. In this way, the measurement signal curve can be set favorably in order to allow an accurate and reliable determination of rotation state variables.

Während in 6a) eine Standardanordnung mit einer symmetrischen Gestaltung der Rotorflügel des Rotationskörpers dargestellt ist, die eine Zuordnung des Drehwinkels innerhalb von 180° ermöglicht, ist der Rotor in 6b) unsymmetrisch gestaltet, um eine Zuordnung des Drehwinkels innerhalb von 360° zu ermöglichen.While in 6a) a standard arrangement with a symmetrical design of the rotor blades of the rotating body is shown, which enables an assignment of the angle of rotation within 180 °, the rotor is in 6b) designed asymmetrically to enable the rotation angle to be assigned within 360 °.

Das entlang seiner Rotationsachse zweigeteilte bzw. asymmetrische Flügelrad aus der 6c) hat eine Kombination strahlungsdurchlässiger und strahlungsundurchlässiger Flächen jedem Rotorflügel und kann in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß 4c) beispielsweise Verwendung finden, wenn zwei voneinander entkoppelte strahldivergente Messsysteme 203 nebeneinander angeordnet sind und jedes davon einen Abschnitt des Rotationskörpers 12 beleuchten, die voneinander unterschiedliche Transparenzverteilungen aufweisen und somit zu unterschiedlichen Signalverläufen während der Rotation des Rotationskörpers 12 führen. So lässt sich durch die unsymmetrische Gestaltung des Rotationskörpers 12 eine Zuordnung des Drehwinkels innerhalb von 360° erreichen. Gleichzeitig ist ein optischer Zugang nur in einer Halbebene notwendig.The asymmetrical impeller divided into two along its axis of rotation from the 6c ) has a combination of radiation-transmissive and radiation-opaque surfaces for each rotor blade and can in accordance with the exemplary embodiment described above 4c ) are used, for example, when two beam divergent measuring systems are decoupled from each other 203 are arranged side by side and each of them a portion of the rotating body 12th illuminate that have different transparency distributions from each other and thus to different signal profiles during the rotation of the rotating body 12th to lead. This is due to the asymmetrical design of the rotating body 12th achieve an assignment of the angle of rotation within 360 °. At the same time, optical access is only necessary in one half-plane.

Bei dem Ausführungsbeispiel der 6d) ist die Rotorfläche so ausgebildet, dass diese seitlich überstrahlt wird, oder alternativ der Rotor als halbdurchlässig ohne Überstrahlen der Fläche ausgebildet ist, so dass ein erhöhter permanenter Gleichlichtanteil vorhanden ist, der zur Kompensation von Störungen in der Übertragungsstrecke verwendet werden kann.In the embodiment of the 6d ) the rotor surface is designed in such a way that it is laterally irradiated, or alternatively the rotor is designed as semi-transparent without irradiating the surface, so that there is an increased permanent constant light component that can be used to compensate for disturbances in the transmission path.

Die 7 und 8 zeigen schematisch zwei Varianten erfindungsgemäßer Vorrichtungen mit konvergenten Messsystemen 301, 302 in schematischen Darstellungen. Wie in 7 dargestellt, strahlt eine systematisch dargestellte Strahlungsquelle 22 einen divergierenden Lichtfächer auf den im Querschnitt quadratischen Rotationskörper 12. Dieser weist eine raue reflektierende Oberfläche auf, so dass die Strahlung mit einer gewissen Verteilung zurückgestreut wird und auf zwei Strahlungsempfänger 32, 34 trifft. Sowohl die Strahlungsquelle 22 als auch die Strahlungsempfänger 32, 34 sind schematisch dargestellt. Die Diffusität bzw. Spekularität der Verteilung der Rückstreuung ist durch die keulenförmigen Strahlverteilungen in 7 und 8 angedeutet.The 7 and 8th schematically show two variants of devices according to the invention with convergent measuring systems 301 , 302 in schematic representations. As in 7 shown, radiates a systematically represented radiation source 22 a divergent light fan on the rotating body with a square cross section 12th . This has a rough reflecting surface, so that the radiation is scattered back with a certain distribution and onto two radiation receivers 32 , 34 meets. Both the radiation source 22 as well as the radiation receiver 32 , 34 are shown schematically. The diffusivity or specularity of the distribution of the backscatter is due to the lobe-shaped beam distributions in 7 and 8th indicated.

Die Strahlungsquelle 22 kann in einer Ebene mit den Strahlungsempfänger 32, 34 angeordnet sein, wobei der Lichtfächer zwischen den beiden Strahlungsempfängern 32, 34 herläuft. Durch die Rotation des Rotationskörpers 12 wird sich die Verteilung des reflektierten Lichts auf den beiden Strahlungsempfänger 32, 34 in charakteristischer Weise ändern, so dass aus dem Messsignal eines oder beider Strahlungsempfänger 32, 34 die entsprechenden Rotationsgrößen des Rotationskörpers 12 ableiten lassen.The radiation source 22 can be in one plane with the radiation receiver 32 , 34 be arranged, the light fan between the two radiation receivers 32 , 34 runs here. By rotating the rotating body 12th will the distribution of the reflected light on the two radiation receiver 32 , 34 change in a characteristic way so that from the measurement signal of one or both radiation receivers 32 , 34 the corresponding rotation sizes of the rotating body 12th let derive.

Im Unterschied zu dem Messsystem 301 sind die beiden Strahlungsempfänger 32, 34 im Messsystem 302 der 8 nebeneinander und mit nur geringem Zwischenraum platziert. Auch in diesem Fall handelt es sich um eine reflektierende Anordnung, wobei die Strahlungsquelle 22 in einer auf den Beobachter der 8 orientierten Richtung die Lichtquelle 22 oberhalb der Strahlungsempfänger 32, 34 angeordnet ist und seinen Lichtfächer über die Strahlungsempfänger 32, 34 hinweg schräg nach unten auf den Rotationskörper 12 wirft. Das reflektierte Licht trifft wiederum auf die Strahlungsempfänger 32, 34.In contrast to the measuring system 301 are the two radiation receivers 32 , 34 in the measuring system 302 of the 8th placed next to each other and with little space. In this case too, it is a reflective arrangement, with the radiation source 22 in one on the observer of the 8th oriented direction the light source 22 above the radiation receiver 32 , 34 is arranged and its fan of light on the radiation receiver 32 , 34 diagonally downwards onto the rotating body 12th throws. The reflected light in turn hits the radiation receiver 32 , 34 .

Auch die Messsysteme der 7, 8 lassen sich als strahlkonvergente Messsysteme konfigurieren, indem die Strahlungsempfänger und Strahlungsquellen jeweils ausgetauscht werden.The measuring systems of the 7 , 8th can be configured as beam-convergent measuring systems by exchanging the radiation receivers and radiation sources.

Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.All of the features mentioned, including those that can be seen in the drawings alone and also individual features that are disclosed in combination with other features, are considered to be essential to the invention, alone and in combination. Embodiments according to the invention can be fulfilled by individual features or a combination of several features. In the context of the invention, features that are labeled “in particular” or “preferably” are to be understood as optional features.

BezugszeichenlisteReference list

1010th
Vorrichtungcontraption
1212th
RotationskörperRotational body
1414
RotationsachseAxis of rotation
1616
maximaler Umfangsrotationskreismaximum circumferential rotation circle
2020
strahldivergentes Messsystembeam divergent measuring system
2222
StrahlungsquelleRadiation source
2323
Spiegelmirror
2424th
optischer Pfadoptical path
2525th
FilterelementFilter element
26, 26'26, 26 '
EinhüllendeEnvelope
32, 3432, 34
StrahlungsempfängerRadiation receiver
33, 3533, 35
Spiegelmirror
4040
AuswertungsvorrichtungEvaluation device
5050
transparenter Bereichtransparent area
121121
FlügelradImpeller
122-124122-124
polygonaler Körperpolygonal body
201-204201-204
strahldivergentes Messsystembeam divergent measuring system
301, 302301, 302
Messsystem in ReflexionsanordnungMeasuring system in reflection arrangement
PD1PD1
Messsignal Empfänger 1Measurement signal receiver 1
PD2PD2
MesssignalMeasurement signal

Claims (15)

Vorrichtung (10) zur berührungslosen Rotationsmessung, umfassend einen auf einer Rotationsachse (14) drehbar gelagerten Rotationskörper (12) mit einer n-fachen Drehsymmetrie sowie ein strahldivergentes oder strahlkonvergentes Messsystem (20, 201, 202, 203, 204, 301, 302), welches wenigstens eine Strahlungsquelle (22), wenigstens einen Strahlungsempfänger (32, 34), eine Auswertungsvorrichtung (40) und einen optischen Pfad (24) zwischen der wenigstens einen Strahlungsquelle (22) und dem wenigstens einen Strahlungsempfänger (32, 34) umfasst, in welchem ein Rotationskörper (12) angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Strahlungsquelle (22) ausgebildet ist, eine in Richtung auf den Rotationskörper (12) zu divergente oder konvergente Strahlung auf den Rotationskörper (12) auszusenden, deren Einhüllende (26, 26') einen maximalen Umfangsrotationskreis (16) des Rotationskörpers (12) einschließt, wobei a) der Rotationskörper (12) die Strahlung in einer Transmissionsanordnung entsprechend einer momentanen Winkellage des Rotationskörpers (12) teilweise abschattet und bei der der wenigstens eine Strahlungsempfänger (32, 34) auf einer der Strahlungsquelle (22) gegenüberliegenden Seite des Rotationskörpers (12) angeordnet ist und einen nicht abgeschatteten Teil der Strahlung erfasst, und/oder b) der Rotationskörper (12) die Strahlung in einer Reflexionsanordnung entsprechend einer momentanen Winkellage des Rotationskörpers (12) teilweise reflektiert und der wenigstens eine Strahlungsempfänger (32, 34) auf der gleichen Seite wie die Strahlungsquelle (22) relativ zum Rotationskörper (12) angeordnet ist und einen reflektierten Teil der Strahlung erfasst, wobei die Auswertungsvorrichtung (40) eingerichtet ist, aus der Menge der erfassten Strahlung und/oder wenigstens einer daraus abgeleiteten Größe wenigstens eine Rotationszustandsgröße des Rotationskörpers (12) zu ermitteln.Device (10) for non-contact rotation measurement, comprising a rotation body (12) rotatably mounted on an axis of rotation (14) with n-fold rotational symmetry and a beam-divergent or beam-convergent measuring system (20, 201, 202, 203, 204, 301, 302), which comprises at least one radiation source (22), at least one radiation receiver (32, 34), an evaluation device (40) and an optical path (24) between the at least one radiation source (22) and the at least one radiation receiver (32, 34), in which is arranged a rotating body (12), the at least one radiation source (22) being designed to emit radiation which is divergent or convergent in the direction of the rotating body (12) onto the rotating body (12), the envelope (26, 26 ') includes a maximum circumferential rotation circle (16) of the rotating body (12), wherein a) the rotating body (12) partially shades the radiation in a transmission arrangement corresponding to an instantaneous angular position of the rotating body (12) and in which the at least one radiation receiver (32, 34) is arranged on a side of the rotating body (12) opposite the radiation source (22) and detects an unshadowed part of the radiation, and / or b) the rotating body (12) partially reflects the radiation in a reflection arrangement corresponding to an instantaneous angular position of the rotating body (12) and the at least one radiation receiver (32, 34) is arranged on the same side as the radiation source (22) relative to the rotating body (12) and detects a reflected part of the radiation, the evaluation device (40) being set up to determine at least one rotational state variable of the rotating body (12) from the quantity of the detected radiation and / or at least one variable derived therefrom. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (12) mit n-facher Drehsymmetrie mit 1 ≤ n ≤ 20, vorzugsweise mit 1 ≤ n ≤ 10, ausgebildet ist und/oder dass der Rotationskörper (12) als Flügelrad (121) mit n Flügeln oder als im Querschnitt regelmäßiger oder unregelmäßiger polygonaler Körper (122, 123, 124) mit n Ecken und n Kanten ausgebildet ist. Device after Claim 1 , characterized in that the rotary body (12) is designed with n-fold rotational symmetry with 1 ≤ n ≤ 20, preferably with 1 ≤ n ≤ 10, and / or that the rotary body (12) as an impeller (121) with n blades or is formed as a regular or irregular polygonal body (122, 123, 124) with n corners and n edges in cross section. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung als divergenter oder konvergenter Strahlungsfächer oder als zwei oder mehr divergierende oder konvergierende Strahlenbündel ausgesandt wird.Device after Claim 1 or 2nd , characterized in that the radiation is emitted as a divergent or convergent radiation fan or as two or more diverging or converging beams. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Strahlungsempfänger (32, 34) umfasst sind, die angeordnet sind, Teile der Strahlung zu empfangen, die an entgegengesetzten Seiten des Rotationskörpers (12) vorbeigelangen bzw. reflektiert werden, wobei insbesondere die Auswertungsvorrichtung (40) eingerichtet ist, ein Verhältnis und/oder eine Differenz der von den wenigstens zwei Strahlungsempfängern (32, 34) empfangenen Strahlung zu bilden.Device according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that at least two radiation receivers (32, 34) are included, which are arranged to receive parts of the radiation which pass or are reflected on opposite sides of the rotating body (12), the evaluation device (40) in particular being set up forming a ratio and / or a difference in the radiation received by the at least two radiation receivers (32, 34). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr strahldivergente und/oder strahlkonvergente Messsysteme (20, 201, 202, 203, 204), insbesondere mit einer gemeinsamen Auswertungsvorrichtung (40), umfasst sind, wobei die zwei oder mehr strahldivergenten Messsysteme (20, 201, 202, 203, 204) unter einem Winkel zueinander bezüglich des Rotationskörpers (12) angeordnet sind, wobei insbesondere die zwei oder mehr strahldivergenten Messsysteme (20, 201, 202, 203, 204) geometrisch gegeneinander abgeschirmt sind und/oder bei Betrieb mit unterschiedlichen Messfrequenzen, alternativ oder zusätzlich mit Frequenzfiltern, insbesondere Bandpassfiltern oder Kantenfiltern, gegeneinander abgeschirmt sind.Device according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that two or more beam divergent and / or beam convergent measuring systems (20, 201, 202, 203, 204), in particular with a common evaluation device (40), are included, the two or more beam divergent measuring systems (20, 201, 202, 203, 204) are arranged at an angle to each other with respect to the rotating body (12), the two or more beam-divergent measuring systems (20, 201, 202, 203, 204) in particular being geometrically shielded from one another and / or when operating at different measuring frequencies , alternatively or additionally, are shielded from one another with frequency filters, in particular bandpass filters or edge filters. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem strahlkonvergenten System, bei dem mehrere Strahlungsquellen Strahlung konvergent auf einen einzigen Empfänger senden, die mehreren Strahlungsquellen voneinander unterscheidbar betrieben werden oder voneinander unterscheidbar sind, insbesondere durch eindeutig unterscheidbare Modulation, durch abwechselndes Strahlen, oder durch die Verwendung und empfängerseitige Unterscheidung unterschiedlicher Wellenlängen.Device according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that in a beam-convergent system in which several radiation sources transmit radiation convergent to a single receiver, the multiple radiation sources are operated or can be distinguished from one another, in particular by clearly distinguishable modulation, by alternating radiation, or by the use and receiver side Differentiation of different wavelengths. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Strahlungsempfänger (32, 34) als flächige Strahlungsempfänger ausgebildet sind, die jeweils einen Teil der divergenten Strahlung abdecken, oder zwei, insbesondere in Bezug auf die Rotationsachse (14) des Rotationskörpers (12) zueinander symmetrische, Kombinationen aus jeweils einem kleinflächigen Strahlungsempfänger (32, 34) und jeweils einem fokussierenden Element, insbesondere einer Linse oder Linsenkombination oder einem fokussierenden Spiegel (33, 35), mittels dessen ein jeweiliger Teil der divergenten Strahlung auf den kleinflächigen Strahlungsempfänger (32, 34) fokussiert wird.Device according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that two radiation receivers (32, 34) are designed as flat radiation receivers, each of which covers part of the divergent radiation, or two, in particular symmetrical with respect to the axis of rotation (14) of the rotating body (12), combinations of each a small-area radiation receiver (32, 34) and in each case a focusing element, in particular a lens or lens combination or a focusing mirror (33, 35), by means of which a respective part of the divergent radiation is focused on the small-area radiation receiver (32, 34). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Spiegel (23) vorhanden sind, die auf Seiten der Strahlungsquelle (22) die Strahlung aufweiten oder bündeln, und/oder, dass Spiegel (33, 35) vorhanden sind, die auf Seiten des wenigstens einen Strahlungsempfängers (32, 34) die Teile der Strahlung beiderseits des Rotationskörpers (12) bündeln oder aufweiten.Device according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that there are mirrors (23) which expand or bundle the radiation on the side of the radiation source (22) and / or that there are mirrors (33, 35) which are on the side of the at least one radiation receiver (32, 34) bundle or expand the parts of the radiation on both sides of the rotating body (12). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (12) wenigstens abschnittsweise teiltransparent, transparent, teilreflektierend und/oder reflektierend ausgebildet ist, wobei insbesondere der Rotationskörper (12) im Falle einer teilreflektierenden oder reflektierenden Ausbildung reflektierend spiegelnd oder rau streuend reflektierend ausgebildet ist.Device according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the rotary body (12) is at least partially partially transparent, transparent, partially reflective and / or reflective, in particular the rotary body (12) in the case of partially reflective or reflective design is reflectively reflective or roughly reflective. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere optische Elemente (25) zur Optimierung, insbesondere Linearisierung, einer Intensitätsverteilung der divergenten oder konvergenten Strahlung umfasst sind.Device according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that one or more optical elements (25) for optimizing, in particular linearizing, an intensity distribution of the divergent or convergent radiation are included. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Stabilisierung oder Referenzierung der Lichtquelle umfasst ist, mittels der die Lichtquelle stabilisiert oder Schwankungen in der Strahlungsintensität der Lichtquelle in den gemessenen Signalen kompensiert werden.Device according to one of the Claims 1 to 10 , characterized in that a device for stabilizing or referencing the light source is included, by means of which the light source is stabilized or fluctuations in the radiation intensity of the light source are compensated in the measured signals. Verfahren zur berührungslosen Rotationsmessung in einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine divergente oder konvergente Strahlung auf den Rotationskörper (12) der Vorrichtung (10) geworfen wird, wobei a) an wenigstens einer Seite des Rotationskörpers (12) vorbei gelangende Strahlung in wenigstens einem Strahlungsempfänger (32, 34) der Vorrichtung (10) erfasst wird und/oder b) wenigstens ein Teil der von dem Rotationskörper (12) reflektierten Strahlung in wenigstens einem Strahlungsempfänger (32, 34) der Vorrichtung erfasst wird, und aus der Menge der erfassten Strahlung und/oder wenigstens einer daraus abgeleiteten Größe wenigstens eine Rotationszustandsgröße der Rotation des Rotationskörpers (12) ermittelt wird.Method for contactless rotation measurement in a device (10) according to one of the Claims 1 to 11 , wherein a divergent or convergent radiation is thrown onto the rotating body (12) of the device (10), with a) radiation passing at least one side of the rotating body (12) in at least one radiation receiver (32, 34) of the device (10) and / or b) at least part of the radiation reflected by the rotating body (12) is detected in at least one radiation receiver (32, 34) of the device, and at least one of the quantity of radiation detected and / or at least one quantity derived therefrom The rotational state variable of the rotation of the rotating body (12) is determined. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels wenigstens zwei Strahlungsempfängern (32, 34) Strahlung erfasst wird, die auf entgegengesetzten Seiten des Rotationskörpers (12) vorbeigelangt ist, und aus den erfassten Mengen an Strahlung eine Differenz und/oder ein Verhältnis berechnet wird, aus dem wenigstens eine Rotationszustandsgrö-ße der Rotation des Rotationskörpers (12) ermittelt wird. Procedure according to Claim 12 , characterized in that by means of at least two radiation receivers (32, 34) radiation is detected, which has passed on opposite sides of the rotating body (12), and a difference and / or a ratio is calculated from the detected amounts of radiation, from which at least a rotational state variable of the rotation of the rotating body (12) is determined. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Rotationszustandsgröße eine Winkellage, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung und/oder Rotationsrichtung des Rotationskörpers (12) ermittelt wird.Procedure according to Claim 12 or 13 , characterized in that an angular position, angular velocity, angular acceleration and / or direction of rotation of the rotating body (12) is determined as the rotational state variable. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich aus Abweichungen von regelhaften Messungen auf Abweichungen vom Regelbetrieb geschlossen wird, insbesondere Schwingungen und/oder Verschiebungen der Rotationsachse (14) oder unsymmetrische Last.Procedure according to one of the Claims 12 to 14 , characterized in that deviations from regular measurements are also used to infer deviations from normal operation, in particular vibrations and / or displacements of the axis of rotation (14) or asymmetrical load.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0169657A2 (en) * 1984-06-25 1986-01-29 Energy Innovations Inc. Non-contact shaft angle detector
EP1071929B1 (en) * 1998-04-17 2006-11-15 Cambridge Technology, Inc. Axial led position detector for determining the angular position of a rotatable element
WO2008039066A1 (en) * 2006-09-27 2008-04-03 Paccus Interfaces B.V. Angular displacement sensor
US20090231574A1 (en) * 2008-02-22 2009-09-17 Trimble Navigation Limited Method and system for angle measurement
US7688432B1 (en) * 2007-01-23 2010-03-30 Benner Jr William R Rotary position detector and associated methods
EP2808653A1 (en) * 2013-05-28 2014-12-03 SICK STEGMANN GmbH Rotation angle sensor
US20160084677A1 (en) * 2013-05-10 2016-03-24 Scanlab Aktiengesellschaft Optical Angle Detector Having a Beam-Forming Element

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3841275A1 (en) * 1988-12-08 1990-06-13 Meinecke Ag H Pulse transmitter device for volume meters
IT1291830B1 (en) * 1997-04-17 1999-01-21 Logitron Srl ENCODER AND OPTICAL PULSER
KR20000068067A (en) * 1997-06-05 2000-11-25 시뮬라, 인코포레이티드 Method and apparatus for a rotation angle sensor
DE102011009676B4 (en) * 2011-01-20 2016-12-22 Neumann & Co. Wasserzähler Glaubitz GmbH Apparatus and method for detecting a rotational movement

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0169657A2 (en) * 1984-06-25 1986-01-29 Energy Innovations Inc. Non-contact shaft angle detector
EP1071929B1 (en) * 1998-04-17 2006-11-15 Cambridge Technology, Inc. Axial led position detector for determining the angular position of a rotatable element
WO2008039066A1 (en) * 2006-09-27 2008-04-03 Paccus Interfaces B.V. Angular displacement sensor
US7688432B1 (en) * 2007-01-23 2010-03-30 Benner Jr William R Rotary position detector and associated methods
US20090231574A1 (en) * 2008-02-22 2009-09-17 Trimble Navigation Limited Method and system for angle measurement
US20160084677A1 (en) * 2013-05-10 2016-03-24 Scanlab Aktiengesellschaft Optical Angle Detector Having a Beam-Forming Element
EP2808653A1 (en) * 2013-05-28 2014-12-03 SICK STEGMANN GmbH Rotation angle sensor

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