AT508874A1 - Vorrichtung zur gewinnung von winkelsignalen - Google Patents

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Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Winkelsignalen an einem um eine Achse rotierenden Bauteil, beispielsweise einer Abtriebswelle eines Motors, mit einem am Bauteil befestigbaren Markenträger, welcher von einer Sensoreinrichtung auslesbare Marken aufweist.
Sowohl in der Forschung und Entwicklung von Motoren als auch zukünftig beim Betrieb von Großmotoren wird die winkelbasierte Messung von Motorparametern, beispielsweise jene des Zylinderinnendrucks zur Verbrennungsentwicklung und später zur Regelung verwendet. Als Anwendungsfeld sind jedoch auch industrielle Anwendungen zu sehen, bei welchen beispielsweise eine Prozesskraft in Abhängigkeit von einer Nockenstellung gemessen wird, die mittels eines Winkelsignalgebers bestimmt wird.
Bei der Messung des Zylinderinnendrucks ist neben einem genauen Drucksignal für die Güte der Regelung die genaue Zuordnung des aktuellen Zylinderdrucks zur Kolbenposition (aktuelles Zylindervolumen) notwendig. Für diese Zuordnung ist die Kenntnis des geometrischen Zusammenhangs zwischen Kolbenposition und Kurbelwellenstellung sowie eine genaue Aufzeichnung der Kurbelwellenstellung erforderlich.
Aus der Literatur sind folgende Varianten der Winkelsignalmessung bekannt: • Geschlossene Systeme mit Markenscheiben aus Glas die mit einem Durchlichtverfahren arbeiten. • Offene Systeme mit Metallmarkenscheiben mit radialen Schlitzen, die mit einem Durchlichtverfahren arbeiten. Diese sind prinzipiell für auch für den Einsatz an Großmotoren geeignet, sind jedoch sehr aufwändig und damit teuer. • Eine genaue Anzahl gleichverteilter Marken wird auf den Umfang einer Welle gelasert und nach dem Reflexionsprinzip abgenommen. Dieses Verfahren ist aufwändig und beispielsweise für Großmotoren ungeeignet, da die Welle aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichtes im herkömmlichen Sinn nicht transportfähig ist. 1
Eine Triggermarke ist am Umfang der Abtriebswelle appliziert, was sehr einfach in der Anwendung ist, aber ein ungenau arbeitendes Verfahren ergibt, da aufgrund von Ungleichförmigkeiten der Drehung und Drehzahlschwankungen des Motors eine exakte Winkelzuordnung der gemessenen Parameter unmöglich ist. ·* ·· * * ·**· · ·»«« • · * ·» · »«·« • · · · * · « ·♦- • · · · * - * · ♦ * • t · · ··· · · * * * * « * »J 2 * * · » V *
Aus der EP 1 258 711 A2 ist eine herkömmliche Markenscheibe für einen Drehwinkelaufnehmer für rotierende Wellen bekannt geworden, die eine Vielzahl von Winkelmarken aufweist, die radial zur Rotationsachse angeordnet sind. Die Markenscheibe weist weiters eine Referenzmarke auf, die durch eine in ihren modulierenden Eigenschaften abweichende Winkelmarke gebildet ist. Die Referenzmarke kann beispielsweise eine größere Fläche als die Winkelmarken aufweisen. Weiters ist es möglich, die Referenzmarke gegenüber den Winkelmarken in radialer und/oder Umfangsrichtung zu verlängern. Nachteilig ist, dass für jeden Anwendungsfall separate Markenscheiben hergestellt und auf der zu vermessenden Welle montiert werden müssen.
Aus der DE 36 23 449 C2 ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung zur Gewinnung von Winkelsignalen bekannt geworden, bei welcher die Geberscheibe mit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbunden ist, und am Umfang äquidistant verteilte Zähne einer gleichmäßigen Markenteilung sowie zumindest einen Triggerzahn trägt. Die Markenzähne und der Triggerzahn unterscheiden sich hinsichtlich der Wirbelstromverluste und der Permeabilität, so dass ein auf die Zähne gerichteter Impulsgeber unterscheidbare Signale liefert.
Meist wird ein bereits vorhandener Starterkranz als Geberscheibe verwendet, in dessen Gehäuse aber erst mit entsprechendem Aufwand ein Zugang für den Impulsgeber hergestellt werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Gewinnung von Winkelsignalen derart zu verbessern, dass sie auf einfache Weise an rotierenden Bauteilen unterschiedlichster Durchmesser eingesetzt werden kann und insbesondere auch geeignet ist, winkelbasierte Messungen an Abtriebswellen von Großmotoren zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Markenträger aus einem nicht dehnbaren, biegsamen Markenstreifen mit einer beliebigen, vom Umfang des rotierenden Bauteils unabhängigen Markenteilung besteht, der am rotierenden Bauteil befestigt, vorzugsweise aufgeklebt, ist.
In vorteilhafter Weise können die beiden Endbereich des Markenstreifens nach deren Befestigung am Bauteil einen Stoß- oder Überlappungsbereich bilden, in welchem die Markenteilung eine Unstetigkeit aufweist, die in einfacher Weise als Triggermarke für die Winkelsignalmessung herangezogen werden kann.
Die Gewinnung von Winkelsignalen, beispielsweise an einer Antriebswelle eines Motors, wird dadurch wesentlich vereinfacht und universell anwendbar. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: • · * ft« · ·«·· • ·· * · · · · · ( ···«'· · · · ···· *·· · · .....* 3 ... .. ·
Anbringung eines nicht dehnbaren Markenstreifens mit einer beliebigen vom Umfang des rotierenden Bauteils unabhängigen Markenteilung am Bauteil;
Herstellung eines Stoß- oder Überlappungsbereichs mit den beiden Endbereichen des Markenstreifens, wobei die Markenteilung eine Unstetigkeit bildet, die als Triggermarke verwendet wird, sowie
Auslesen der Markensignale und des Triggersignals.
Der Umfang der Welle ist in fast allen Anwendungsfällen kein ganzzahliges Vielfaches der Markenteilung, so dass am Stoß eine ungleiche Teilung auftritt (von schwarz/schwarz bis weiß/weiß können alle Varianten auftreten). Dies ist kein Nachteil sondern kann im Gegenteil dazu verwendet werden die erforderliche Triggermarke darzustellen. Dazu wird ein gewisser Bereich vor und nach der Stoßstelle - z.B. insgesamt ca. drei Marken - schwarz gefärbt. Nun ist ein Markenstreifen mit noch unbekannter Markenanzahl und einem ausmessbaren schwarzen Bereich auf der Abtriebswelle appliziert.
Durch Signalaufnahme während des Motorbetriebes kann nun die Anzahl der Marken bei einer Umdrehung ermittelt werden. Über die Anzahl der Marken, die schwarz gefärbte Distanz und die vorgegebene Teilung zwischen hell/dunkel kann der Umfang und damit der exakte Winkel je Teilung ermittelt werden.
Die lange Schwarzdistanz kann auf einen exakten Winkelwert umgerechnet werden, so dass die Summe der Teilungen plus die Schwarzdistanz 360° ergeben.
In einer der Sensoreinrichtung nachgeschalteten Signalverarbeitung erfolgt die Umrechnung, Interpolation und Vervielfachung der Winkelimpulse in Echtzeit, welche ja mit einem nicht ganzzahligen Winkelwert aufgenommenen wurden, zu einem ganzzahligen bzw. sinnvoll unterteiltem Winkelwert (0,5°; 0,25°), der dann als TTL Signal der Auswerte/Display-Einheit zur Verfügung steht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von zum Teil schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von Winkelsignalen, Fig. 2 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen, biegsamen Markenstreifens in Draufsicht, Fig. 2a einen Längsschnitt des Markenstreifens gemäß Fig. 2, sowie die Fig. 3 bis 6 unterschiedliche Ausbildungen eines Stoß- oder Überlappungsbereiches beim Aufkleben der Markenstreifen auf einen rotierenden Bauteil. • · ···· · · · # • · * * »«· · · * * < · · * *_· 4 *· *' * * -
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 10 zur Gewinnung von Winkelsignalen an einem um eine Achse rotierenden Bauteil 11, beispielsweise einer Abtriebswelle eines Motors 12, weist einen Markenträger 13 auf, der aus einem nicht dehnbaren, biegsamen Markenstreifen 16 besteht und auf einem geeigneten Bereich der Abtriebswelle 11 aufgeklebt ist. Der Markenstreifen 16 weist eine gleichmäßige, jedoch vom Umfang des rotierenden Bauteils 11 unabhängige Markenteilung auf, die beispielsweise durch unterschiedlich gefärbte (schwarz/weiße) Felder 15, 15' realisiert ist. Die Felder 15, 15' werden im dargestellten Beispiel von einer optischen Sensoreinrichtung 14 abgetastet, die aus einem Fotodetektor 17 mit nachgeschalteter Signalverarbeitung 19 besteht. Die Ergebnisse werden in bekannter Weise am Display einer Auswerteeinrichtung 20 angezeigt. Zur Erhöhung der Signalgüte kann die Sensoreinrichtung 14 zusätzlich über eine Lichtquelle 18 verfügen, mit welcher der Abtastbereich des Markenstreifens 16 gleichmäßig ausgeleuchtet wird.
Wie in den Fig. 2 bzw. 2a dargestellt, kann der Markenstreifen 16 als aufrollbares Endlosband vorliegen, das einseitig mit einer Klebefläche 22 ausgestattet ist (die Dicke des Markenstreifens 16 ist in Fig. 2a überhöht dargestellt). Der Markenstreifen 16 kann daher durch ein Klebeband realisiert werden, welches in Laufrichtung abwechseln schwarz und weiß gefärbte Bereiche aufweist.
Im Stoß- oder Überlappungsbereich 21 der beiden Enden des Markenstreifens 16 ergeben sich je nach Durchmesser bzw. Umfang der Abtriebswelle 11 folgende Situationen:
In Fig. 3 stoßen zwei schwarze Felder 15' im Stoß- oder Überlappungsbereich 21 zusammen und bilden ein schwarzes Feld mit doppelter Breite (s. rechte Seite in Fig. 3), welche Unstetigkeit in der Markenteilung direkt als Triggermarke für die Winkelsignalmessung verwendet werden kann.
Im Sonderfall gemäß Fig. 4 ist der Umfang des Bauteils 11 ein ganzzahliges Vielfaches der Markenteilung, so dass ein weißes Feld 15 und ein schwarzes Feld 15' Zusammentreffen. Es kann nun im Stoß- oder Überlappungsbereich des Markenstreifens 16 nach der Befestigung am rotierenden Bauteil zumindest eine zusätzliche Markierung 23, beispielsweise durch Schwärzung eines weißen Feldes, aufgebracht werden, so dass die Triggermarke in Umfangsrichtung des rotierenden Bauteils vergrößert wird. Gemäß Fig. 4, rechte Seite, weist der schwarze Bereich die dreifache Breite der üblichen Felder auf.
In den Fig. 5 und 6 sind allgemeine Fälle dargestellt, bei welchen im Stoß- oder Überlappungsbereich 21 ein schmäleres weißes Feld 15 verbleibt (Fig. 5) oder ein schmäleres schwarzes Feld 15' (Fig. 6). Durch Anbringung zusätzlicher Markierungen 23, d.h. durch Schwärzen von weißen Feldern im Stoßbereich kann die
Triggermarke entsprechend vergrößert werden, wobei der Zählvorgang beispielsweise mit dem der Triggermarke nachfolgenden weißen Feld gestartet wird.
Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann die Markenteiiung durch unterschiedlich magnetisierte Felder des Markenstreifens 16 realisiert sein, die von einem elektromagnetischen Lesekopf der Sensoreinrichtung 14 auslesbar sind.

Claims (7)

  1. • t • * · · · · * * * ·» 6 *-*·**' PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung (10) zur Gewinnung von Winkelsignalen an einem um eine Achse rotierenden Bauteil (11), beispielsweise einer Abtriebswelle eines Motors (12), mit einem am Bauteil (11) befestigbaren Markenträger (13), welcher von einer Sensoreinrichtung (14) auslesbare Marken (15, 15') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Markenträger aus einem nicht dehnbaren, biegsamen Markenstreifen (16) mit einer beliebigen, vom Umfang des rotierenden Bauteils (11) unabhängigen Markenteilung besteht, der am rotierenden Bauteil (11) befestigt, vorzugsweise aufgeklebt, ist.
  2. 2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endbereiche des Markenstreifens (16) nach deren Befestigung am Bauteil (11) einen Stoß- oder Überlappungsbereich (21) bilden, in welchem die Markenteilung eine Unstetigkeit aufweist, die als Triggermarke für die Winkelsignalmessung dient.
  3. 3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Markenteilung durch unterschiedlich gefärbte Felder (15, 15') des Markenstreifens (16), vorzugsweise abwechselnd schwarz und weiß gefärbte Bereiche, realisiert ist, die von einem Fotodetektor (17) der Sensoreinrichtung (14) auslesbar sind.
  4. 4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Markenteilung durch unterschiedlich magnetisierte Felder des Markenstreifens (16) realisiert ist, die von einem elektromagnetischen Lesekopf der Sensoreinrichtung (14) auslesbar sind.
  5. 5. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Markenstreifen (16) als vorzugsweise aufrollbares Endlosband vorliegt, das einseitig mit einer Klebefläche (22) ausgestattet ist.
  6. 6. Verfahren zur Gewinnung von Winkelsignalen an einem um eine Achse rotierenden Bauteil, beispielsweise an einer Abtriebswelle eines Motors, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Anbringung eines nicht dehnbaren Markenstreifens mit einer beliebigen vom Umfang des rotierenden Bauteils unabhängigen Markenteilung am Bauteil; Herstellung eines Stoß- oder Überlappungsbereichs mit den beiden Endbereichen des Markenstreifens, wobei die Markenteilung eine Unstetigkeit bildet, die als Triggermarke verwendet wird, sowie Auslesen der Markensignale und des Triggersignals.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Stoß- oder Überlappungsbereich des Markenstreifens nach der Befestigung am rotierenden Bauteil zumindest eine zusätzliche Markierung aufgebracht wird, die die Triggermarke in Umfangsrichtung des rotierenden Bauteils vergrößert. 2009 09 17 Lu/Sc
    A-1150 Wien, Mariahilfer Gürtel 39/17 Tel.; 1) 8« 8* 33 0 Fax; (+43 1) 892 89 333 Dipl.-Ing. Mag. Michael Babeluk
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