Verfahren und Einrichtung zur Messung der Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Spannungen und Anwendung dieses Verfahrens für eine Drehmomentmessung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Spannungen und eine Anwendung dieses Verfahrens für eine Drehmomentmessung.
Es ist bekannt, die Verdrehung einer Welle um einen räumlichen Torsionswinkel durch das Mass der Verschiebung zweier elektrischer Spannungen um einen elektrischen Winkel auszudrücken; diese Winkelverschiebung dient in diesem Fall als Mass für das die Verdrehung der Welle bewirkende Drehmoment. Da sich die gegeneinander verschobenen Spannungen bei sich ändernder Drehzahl ebenfalls ändern, so würde die das Mass für die Phasenverschiebung bildende Differenzspannung bei gleichem Verschiebungswinkel und gleichem Drehmoment verschiedene Werte annehmen. Um dies zu vermeiden, müssen somit die beiden Spannungen, deren Differenz als Mass für die Phasenverschiebung und somit zum Beispiel für das Drehmoment genommen wird, in ihrer Grösse unabhängig von der Drehzahl der sie erzeugenden Generatoren, zum Beispiel der durch das zu messende Drehmoment verdrehten Welle, gehalten werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, dass auf elektronischem Weg jede der beiden Spannungen getrennt voneinander in eine annähernd rechteckförmige Spannung übergeführt wird, welche im Rhythmus der erstgenannten Spannung zwischen annähernd Null und dem Wert der erstgenannten Spannung pendelt, worauf die Amplitude dieser Spannung ebenfalls auf elektronischem Weg in ihrer Höhe derart beschnitten wird, dass eine rechteckförmige Messspannung von annähernd unver änderlicher Flankensteilheit erzeugt wird, und dass anschliessend die beiden rechteckförmigen Messspannungen gegeneinander geschaltet werden und die Differenzspannung gleichgerichtet und einem Messgerät zugeführt wird.
Die zur Durchführung des genannten Verfahrens dienende, ebenfalls Erfindungsgegenstand bildende Einrichtung besitzt einen ersten Satz von Röhren mit gerader Kennlinie, an deren Gitter je die eine der beiden Spannungen, deren Phasenverschiebung gemessen werden soll, angelegt ist und deren Anoden je mit dem Gitter einer zweiten Röhre mit gerader Kennlinie verbunden sind, deren Ausgänge gegeneinander geschaltet und über einen Gleichrichter an ein Messgerät angeschlossen sind.
Das genannte Verfahren wird erfindungsgemäss angewendet für eine Drehmomentmessung, wobei zwei Generatoren verwendet werden, die in axialem Abstand voneinander auf einer Welle angeordnet werden und wobei die Phasenverschiebung der aus den Generatoren erhaltenen Spannungen zur Bestimmung des Drehmomentes der Welle gemessen wird.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens und dessen Anwendung ist im folgenden an Hand der beiliegenden Zeichnung, welche schematisch ein Ausführungsbeispiel der ebenfalls Erfindungsgegenstand bildenden Einrichtung zeigt, erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 das Blockschema eines elektronischen Gerätes zur Drehmoment- und Drehzahlmessung,
Fig. 2 das Schaltschema der Vorverstärker-Begrenzungsvorrichtung des Gerätes nach Fig. 1,
Fig. 3 das Schaltschema der einen Teil des Gerätes nach Fig. 1 bildenden Clipper- und Phasenmessvorrichtung,
Fig. 4 Diagramme der in den einzelnen Gerätteilen erzeugten Spannungen,
Fig. 5 das Schaltschema der Kompensations- und Drehzahlmessvorrichtung des Gerätes nach Fig. 1 und
Fig. 6a und 6b in Vorderansicht bzw.
im Axialschnitt den Generatorteil eines praktischen Ausführungsbeispiels eines Drehmomentmessgerätes mit Phasenverschiebungs-Messeinrichtung.
Das in Fig. 1 im Blockschema gezeigte Gerät dient zur Messung des an einer Welle angreifenden Drehmomentes unter Verwendung der dabei auftretenden Verdrehung der Welle. In an sich bekannter Weise werden zu diesem Zweck im Abstand der Torsionsstrecke auf der Welle (Fig. 6a, 6b) zwei Generatoren angeordnet, welche die zur Phasenmessung herangezogenen elektrischen Ausgangsspannungen liefern. Diese Spannungen werden dem in Fig. 1 gezeigten elektronischen Gerät an den Stellen A und B (Anschluss an den ersten bzw. zweiten Generator) zugeführt. Jede dieser Spannungen wird an ein aus Widerständen und Kondensatoren bestehendes R-C-Glied 1 angelegt, welchem ein Vorverstärker 2 nachgeschaltet ist. An die Vorverstärker 2 ist je eine Clipper- und Phasenmessvorrichtung 3 angeschlossen, deren Ausgänge über einen Gleichrichter 4 gegeneinander geschaltet sind.
An die vorgenannten Hauptelemente des Gerätes ist ferner eine Kompensationseinrichtung 5, eine Drehzahlmessvorrichtung 6 und eine Ablese- und Registriervorrichtung 7 angeschlossen. Die einzelnen Geräteteile sind im folgenden näher beschrieben.
R-C-Glied 1 und Vorverstärker 2 sind in Fig. 2 im Detail dargestellt. Das R-C-Glied ist in an sich bekannter Weise aus Widerständen und Kondensatoren aufgebaut. Wenn sich die Drehzahl der mit den Generatoren versehenen Welle ändert, ändert sich bekanntlich auch die von den Generatoren erzeugte Spannung sowie deren Frequenz, das heisst also, mit steigender Spannung erhöht sich die Frequenz. Da ein Kondensator ein frequenzabhängiger Widerstand ist, kann durch geeignetes Zusammenschalten mit frequenzunabhängigen Ohmschen Widerständen gemäss Fig. 2 erreicht werden, dass über dem Kondensator eine Spannung abgenommen werden kann, die nicht mehr stark mit der Drehzahl der Generatoren ändert. Diese nur schwach drehzahlabhängige Spannung wird dem Röhrenverstärker 2 zugeführt.
Dieser weist als Anodenimpedanz einen Ohmschen Widerstand auf. Da im vorliegenden Fall die erforderliche Verstärkung nicht besonders gross ist, wurde kein Ausgangstransformator vorgesehen. Der Verstärker 2 arbeitet im übrigen in an sich bekannter Weise. Der Vorverstärker 2 dient gleichzeitig auch als Begrenzer. Durch Einbau eines entsprechend dimensionierten Widerstandes in die Gitterzuführung der Verstärkerröhre 2a wird bei grossem Eingangssignal des Generators durch den bei der positiven Halbwelle fliessenden Gitterstrom eine Begrenzung dieser Halbwelle herbeigeführt. In Fig. 4 ist bei a die Eingangsspannung des Verstärkers 2 und bei b dessen Ausgangsspannung (abgenommen bei C und D in Fig. 2) dargestellt.
Die durch die Vorrichtung 1, 2 vorgeformte Wechselspannung (b in Fig. 4) wird dem Gitter einer ersten Röhre 3a der Clipper- und Phasenmessvorrichtung 3 zugeführt (Fig. 3). Die positive Halbwelle der Eingangsspannung bringt dieses Gitter auf ein relativ hohes positives Potential, so dass die Röhre 3a leitet. Die Spannung an der Anode wird sehr klein, da ein genügend gross dimensionierter Anodenwiderstand einen grossen Spannungsabfall verursacht. Bei der negativen Halbwelle der Eingangsspannung ist die Röhre 3a schon bei geringer negativer Spannung vollständig gesperrt. Wichtig ist hier, dass eine Röhre 3a mit einer geraden Kennlinie und sehr scharfem Cutoff-Punkt verwendet wird. Die Spannung an der Anode wird in diesem Zeitpunkt gleich der Spannung der Speisequelle.
An der Anode lässt sich daher eine fast rechteckförmige Spannung (c in Fig. 4), die zwischen dem Wert der Speisespannung und fast Null im Rhythmus der Eingangsspannung pendelt.
Diese Spannung ist aber für die Phasenmessung noch unbrauchbar, weil sich die Flankensteilheit bei variabler Eingangsspannung ändert. Um dies zu eliminieren, ist eine zweite Stufe vorgesehen. Die Anode der ersten Röhre 3a wird direkt mit dem Gitter einer zweiten Röhre 3b verbunden. Weist die nun am Gitter von Röhre 3b liegende Spannung (c in Fig. 4) der Anode von Röhre 3a ihren minimalen Wert auf, so fliesst durch Röhre 3b ein kleiner Strom, da ihr Kathodenwiderstand eine wenn auch kleine negative Gittervorspannung verursacht. Steigt die Gitterspannung von Röhre 3b zum minimalen positiven Wert, so leitet diese Röhre sofort. Der Anodenstrom ist dann nur durch die Grösse des Anoden- und Kathodenwiderstandes begrenzt. Dieser maximale Anodenstrom fliesst schon bei relativ geringem Wert der positiven Spannung am Gitter der Röhre 3b, so dass der Rest unwirksam ist.
Dadurch wird eine Beschneidung dieser Spannung in geringer Höhe erreicht, was bewirkt, dass sich die Flankensteilheit praktisch nicht mehr ändert. Diese nun rechteckförmige Spannung (d in Fig. 4) lässt sich über den Kathodenwiderstand an Punkt G oder über einen Kondensator an Punkt E abnehmen. Auch hier ist eine Röhre 3b mit sehr gerader Kennlinie zu verwenden. In analoger Weise wird die Spannung des zweiten Generators auf die zugeordnete Röhre 3a an Punkt D angelegt. Die Wirkungsweise ist genau dieselbe wie oben. Die Rechteckspannung lässt sich sinngemäss an den Punkten H bzw. F abnehmen.
Sind die Generatorspannungen UX und U2 infolge eines Drehmomentes, das auf die genannte Welle wirkt, in ihrer Phase verschoben, so sind dies auch die Ausgangsspannungen der Clippervorrichtungen an G und H in gleicher Weise. Die Lage dieser Spannungen ist bei e in Fig. 4 gezeigt. Da diese Spannungen jetzt unabhängig von der Grösse der Generatorspannungen sind, gibt die Gegeneinanderschaltung dieser Ausgangsspannungen an G und H das Mass für das an der Welle wirkende Drehmoment. Die Form der Differenzspannung ist bei f in Fig. 4 gezeigt. Bei Veränderung des Drehmomentes und damit der Phasenverschiebung zwischen den beiden Ausgangsspannungen der Clippervorrichtungen ändert sich auch die Breite der Rechteckimpulse und damit der Effektivwert dieser Differenzspannung. Mit normalen Messinstrumenten lässt sich diese Rechteck-Wechselspannung nicht messen.
Aus diesem Grunde sorgt ein Röhrengleichrichter 4 in Graetzschaltung für eine Gleichrichtung, so dass daraus rechteckförmige positive Spannungsimpulse (G in Fig. 4) resultieren, die sich mit einem Drehspulinstrument 7a (Fig. 1) leicht messen lassen. Der Mittelwert dieser Impulse G ist damit das Mass für das Drehmoment und lässt sich am Instrumentenzeiger direkt ablesen. Eine Eichung in Drehmomenteinheiten ist ohne weiteres durchführbar.
Die bisher beschriebene Anordnung ermöglicht generell eine Phasen- und damit Drehmomentmessung. Um aber auf technisch brauchbare Resultate zu kommen, sind einige zusätzliche Massnahmen wünschenswert.
Der Gitterableitwiderstand der ersten Clipperröhre 3a (bei Punkt C) ist kritisch. Eine einwandfreie Arbeitsweise ist nur bei richtiger Dimensionierung dieses Widerstandes gewährleistet. Die R-C Kombination beim Gittereingang der Leistungsverstärkerröhre 2a (Fig. 9) ist sehr sorgfältig zu wählen.
Eine vollständige Spannungs- und damit Drehzahlunabhängigkeit der Phasenmessung hängt von der richtigen Einstellung dieser Werte ab.
Die Konstruktion und die Anordnung des bisher beschriebenen Gerätes und die beschriebenen Mittel zur Erhöhung der Genauigkeit tragen sehr wesentlich dazu bei, dass die Generatoren eine äusserst einfache Konstruktion aufweisen dürfen.
Der Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Messgeneratoren ist aus den Fig. 6a, 6b ersichtlich. Die auf der Welle 8 sitzenden Rotoren bestehen aus einer gezahnten Scheibe 9; im Prinzip kann ein Zahnrad verwendet werden. Die U-förmigen Statoren 10 sind geblecht und weisen je zwei Wicklungspaare
11 auf. Das untere Wicklungspaar 11 dient zur Erregung mit Gleichstrom. Diese Lösung lässt sich ersetzen durch Einbau eines permanenten Magneten in das Joch jedes Stators 10. Damit fallen dann auch die Erregerwicklungen weg.
Beim Vorbeieilen der Zähne und Zahnlücken des Rotors 9 an den Polschuhen des Stators 10 entsteht eine periodische Änderung des magnetischen Kreises. Dadurch wird im obern Wicklungspaar 11 eine Spannung induziert, deren Frequenz sich aus der Zähnezahl des Rotors und der Drehzahl der Welle 8 ergibt. Gleichzeitig lässt sich mit der Wahl der Zähnezahl Z der räumliche Verdrehungswinkel K der Torsionswelle 8, auf der die Generatoren befestigt sind, in einen stark vergrösser ten elektrischen Winkel ? ei. umwandeln: Wel el = p g zu Ifi = Z zu F.
Die Messgeneratoren sind im Aufbau sehr einfach und robust und erfordern keine besonders präzise Herstellung. Die Statoren 10 sind zweckmässig derart angeordnet, dass sich ihre Achsen um einen bestimmten Winkel verdrehen lassen. Dadurch ist es möglich, wie bereits oben erwähnt, die Phasenlage der Generatorspannungen beliebig zu verändern.
Die beschriebene besondere Art der Erregung ermöglicht in starkem Mass die erwähnte einfache Konstruktion der Generatoren.
Zudem erlaubt sie die bei der Drehmomentmessung äusserst wichtige schleifringlose Ubertra- gung der Messwerte.
Stellt man die Rotoren 9 der Generatoren derart ein, dass schon bei einem Drehmoment Null, also ohne Verdrehung der Welle, eine Differenzspannung bei G-H bzw. J-K (Fig. 3) entsteht, so lässt sich dies zur Messung von positiven und negativen Drehmomenten heranziehen. Die an den Punkten J-K (Fig. 5) zur Verfügung stehende Spannung wird durch eine sehr konstante Gleichspannung in der Kompensationsvorrichtung 5 vollständig auskompensiert. Ein zwischen diese Spannungen geschaltetes Nullinstrument 7a zeigt somit bei Drehmoment Null keinen Ausschlag. Tritt ein bremsendes oder antreibendes Drehmoment auf, so entsteht eine kleiner oder grösser werdende Phasenverschiebung, die eine Verkleinerung bzw. Vergrösserung der Spannung an J-K hervorruft.
Infolge der konstanten Kompensationsspannung erfährt der Zeiger des Nullinstrumentes 7a durch die Polaritätsänderung eine Ablenkung in der einen oder andern Richtung.
Diese Methode dient nun aber noch gleichzeitig dazu, den Einfluss von Ungenauigkeiten der Generatoren zu verhindern. Diese Ungenauigkeiten rufen an den Punkten J-K ebenfalls eine wenn auch kleine Spannung hervor. Ist aber durch die Vorverdrehung der Generatoren die Spannung an J-K schon relativ gross, so haben diese kleinen Störspannungen auf die Messungen keinen Einfluss mehr. Dies trägt wiederum dazu bei, sehr einfache Generatoren verwenden zu können.
Da die Frequenz der Messgeneratoren genau proportional der Drehzahl der Welle ist, kann die Drehzahlmessung in eine Frequenzmessung übergeführt werden. Bei den gebräuchlichen elektronischen Frequenzmessern wird die einfallende Sinuswelle in eine amplitudenkonstante Rechteckkurve verwandelt.
Mit einer Kondensator-Widerstands anordnung, deren Zeitkonstante der höchsten Messfrequenz angepasst ist, erfolgt eine Differenzierung der Rechteckspannung. Nach Gleichrichtung ist der Gleichstrom Mittelwert des Kondensator-Ladestromes der zu messenden Frequenz proportional. Die Anzeige erfolgt dann auf einfache Weise mittels eines Drehspulinstrumentes.
Wie bereits weiter oben ausgeführt, steht am Ende des Klipperkreises (Fig. 3) bei G eine solche gewünschte Rechteckspannung zur Verfügung. Deshalb ist zur Drehzahlmessung nur noch ein Gleichrichter (siehe Fig. 5) einzuschalten. Ein im Gerät eingebauter Kombinationsschalter 12 ermöglicht die Herstellung dieser Schaltung und legt gleichzeitig das Nullinstrument 7a an den Gleichrichter an.
Das Instrument kann demnach ausser mit einer Drehmoment- noch mit einer Drehzahlskala versehen werden.
Ist es erwünscht, das Drehmoment nicht nur an einem Zeigerinstrument sichtbar zu machen, sondern auch zu registrieren, so lässt sich dies durch Anschluss eines registrierenden Kompensators parallel zum Anzeigeinstrument 7a an die Anschlüsse L (Fig. 1) bewerkstelligen. Für diesen Zweck dürfte sich ein elektronischer Kompensator, zum Beispiel Philips PR 2000 , gut eignen. Wie Fig. 1 zeigt, erfolgt bei Schalterstellung n Drehzahlmessung, bei Schalterstellung Md Drehmomentmessung und bei Schalterstellung RG die Registrierung der Messwerte.
Oft ist die Bedingung gestellt, dass bei Erreichen eines bestimmten Drehmomentes eine Signal- oder Alarmeinrichtung in Tätigkeit gesetzt wird oder sogar die Betätigung der Ausschaltorgane des Antriebs erfolgen muss. Dies lässt sich zum Beispiel durch eine zusätzliche Verstärkerstufe in Verbindung mit einem Relais erreichen. An Stelle der Verstärkerröhre kann auch ein Thyratron oder eine Kaltkathodenröhre treten.
Soll der Drehmomentmesser auf einem andern Drehzahlbereich arbeiten, so lässt sich dies durch entsprechende Wahl der Zähnezahl der Rotoren 9 der Messgeneratoren ohne weiteres erreichen. Bei kleinen Drehzahlen müssten diese proportional mehr und bei grossen entsprechend weniger Zähne aufweisen.
Ist zu befürchten, dass das Lagerspiel zum Beispiel bei Gleitlagern einen Einfluss auf die Messgenauigkeit der Generatoren ausübt, so besteht die Möglichkeit, deren Statoren 10 einzeln oder zusammen mit eigenen, auf der Messwelle 8 sitzenden Lagern zu versehen. Damit ist der Luftspalt zwischen Rotor 9 und Stator 10 der Generatoren eindeutig und unabhängig vom Lagerspiel der Antriebswelle 8 festgelegt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Pol schuhe des Stators 10 statt radial, seitlich des Rotors 9 anzuordnen, so dass eine radiale Verschiebung keine Luftspaltänderung hervorruft.
Durchgeführte Versuche und Messungen haben ergeben, dass sich die Empfindlichkeit der Messanordnung durch einfache schaltungstechnische Än- derungen so weit steigern lässt, dass sich ohne Anderung der Generatoren ein Endausschlag des Messinstrumentes bei einem Drehmoment von 10 cmkg ergibt. Dies würde unter Umständen gestatten, die Verdrehung der Welle einer Antriebs- oder Arbeitsmaschine selbst zur Messung des Drehmomentes heranzuziehen. Dies könnte dadurch erfolgen, dass man einen Messgenerator auf die Antriebsseite und den zweiten Generator auf das hintere leere Wellenende montiert.