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Vorrichtung zur Messung von Drehzahlen Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zur Messung von Drehzahlen rotierender Maschinenteile.
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Bei der Lösung zahlreicher technischer Probleme, beispielsweise der
Regelung von elektrischen Maschinen, ist. es oQt notwendig, die Drehzahl einer Welle
oder anderer rotierender Maschinenteile möglichst genau zu erfassen und als Istwert
in den Regelvorgang einzugeben. Auch für die Beurteilung, ob die Drehzahl einer
rotierenden Maschinenteiles zu hoch oder zu niedrig ist, sind Drehzahlmesser unentbehrliche
Hilfsgeräte. ist bekannt, die Drehzahlen mit analogen und digitalen Vorrichtungen
zu massen. Die analogen Meßmethoden beruhen zum großten Teil auf dem dynamoelektrischen
Prinzip, wobei zum Hessen der Drehzahl von Maschinen elektrische Spannungen dienen,
die in der Wicklung einer elektrischen Hilfsma---chine erzeugt werden und in einem
homogenen Feld proportional zur Drehzahl sind. Ebenfalls bekannt ist. die Tvrerwendung
von Hallwandlern als mittelbare Drehzahlmesser. bie werden vom Erregerstrom der-zu
messenden elektrischen Maschine beeinflußt und ihre dadurch entstandene Spannung
wird zusammen mit der induzierten Spannung des Ankerkreises als Differenzspannung
auf einen Verstärker gegeben, dessen Ausgangsspannung am Steuerkreis des Hallwandlers
liegt und so ein Maß für die Drehzahl der Machine ist. Weiterhin ist es bekannt,
eine Synchronmaschine mechanisch mit einer anderen Machine, beispielsweise einer
Asynchronmaschine, deren Drehzahl bestimmt werden soll, zu koppeln und den Läufer
der Synchronmaschine mit einer mittelfrequenten
Hilfsfrequenz zu
erregen, so daß aus der Frequenzanalyse der Ankerspannung der Synchronmaschine die
Drehzahl gewonnen werden kann. Auch kennt man zur Messung von Umdrehungszahlen schon
lange die Anwendung von Wirbelströmen. Bekanntlich entstehen in leitendem,. chtmagnetischem
Metall Wirbelströme, wenn dieses durch Wechselfelder bewegt wird. Die sekundären
Wechselfelder werden mittels Spulen aufgenommen und dienen als Maß für die Drehzahl
(DAS 1 147 787).
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Als digitale Drehzahlmesser sind rotierende magnetische NHä (DAS 1
221 47o) und. optische (DAS 1 174 093) Impulsgeber bekannt. So werden als magnetische
Impulsgeber beispielsweise Rotoren mit aus massivem Eisen bestehenden Zähnen, die
an einer im Raum feststehenden Induktionsspule vorbeilaufen und diese Spule zugleich
als Schwingkreisspule eines hochfrequenten Oszillators dient und so bemessen und
angeordnet ist, daß die Schwingung aussetzt, wenn die Zähne an der Spule vorbeiläuft.
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Weiterhin ist bekannt, die Drehzahl dotierender Körper auf lichtelektrischem
Weg zu bestimmen. Dabei werden Fotozellen oder Fototransistoren im Rhythmus einer
Drehzahl belichtet und geben eine der Drehzahl proportionale Impulsfrequenz ab.
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Die Nachteile der auf dem dynamoelektrischen Prinzip beruhenden Drehzahlmessungen
liegen in der Erfordernis, gesonderte Tachodynamos mit zwischengeschalteten Getrieben
zu verwenden, was mit großen zusätzlichen rägheitsmomenten verbunden ist. Die Messung
mittels Hallwandlern ist mit Pehlern, derwGenauigkeit behaftet und stellt überdies
bestimmte Bedingungen an die elektrischen Konstanten. Außerdemi ist ihre Anwendung
auf die Drehzahlmessung elektrischer Maschinen besohränkt. Die Drehzahlmessung mittels
Wirbelströmen ist von vornherein nur bei Vorhandensein von Weohselfeldern anwendbar.
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Digitale Drehzahlmesser mit magnetischen Impulsgebern sind für die
Messung geringer Umdrehungsgeschwindigkeiten nicht besonders geeignet da die induzierten
Spannungen gerade in der Umgebung der Drehzahl Null sehr geringe Serte haben.
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Das Verfahren, mit lichtelektrischen Mitteln die Drehzahl rotierender,
Körper zu bestimmen, hat gegenüber den übrigen Verfahren den Vorteil, der Unabhängigkeit
der Größe der Meßimpulse von der Drehzahl. Doch müssen meistens an die Fotozellen
oder Fototransistoren ziemlich hohe Anforderungen an die Impulsleistung gestellt
werden9 Au#erdem kommt man selten ohne zusätzliche Verstärker aus. Fehlerquellen
sind darüber hinaus in Störhelligkeiten zu suchen, die Fehlimpulse erzeugen kannen..
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher
bekannten Meßvorrichtungen zu vermeiden und auf elektrischem Weg mit möglichst einfachen
Mitteln eine störungsunanfällige, kontaktlose und genaue Drehzahlmessung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daB ein von einer
Gleich-ader Wechselspanr. ungsquelle über einen Wirk-oder Blindwiderstand gespeister
Plattenkondensator mit einem aus mehreren Schichten bestehenden Dielektrium vorgesehen
ist, wovon eine Schicht durch eine auf dem zu messenden Maschiennteil befindliche,
aus mehreren Segmenten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten bestehende Scheibe
dargestellt ist und sich parallel zu dem Wirk- oder Blindwiderstand ein Spanilungs-Auswerter
befindet.
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Um an diesem Widerstand Spannungen zu erhalten, die von dem Spanmungs-Auswerter
leicht analysiert werden können, kann diese Vorrichtung dahingehend abgeändert werden,
daß die Scheibe eine nach Maßgabe des Kreiswinkels veränderliche Dieletrizitätskonstante
aufweist. Ein Ausführungsbeispiel der Erfin-< dung ist in der Zeichnung'dargestellt
und wird im folgenden näher beschriebnn. Es zeigen : i Fig. 1 Die Gesamtanordnung
zur Drehzahlmessung.
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Fig. 2 Die Voderansicht der Scheibe 2 mit zwei Hälften.
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Fig.. 3 Die Vorderansicht der Scheibe 2 mit mehreren Segmenten.
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Fig. 3 Die Vorderansicht der Scheibe 2 mit stetig verteilter Dielektrizitätskonstante.
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Auf der Welle 1, deren Drehzahl gemessen werden soll, befindet sich
eine Scheibe 2, die aus zwei Hälften 3 und 4 unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten
E1 und Ea, beispielsweise Kupfer und Kerafar, besteht. Auf den Seiten dieser Scheibe
2 sind zwei ortsfeste Platten 5 und 6 vorgesehen. An diesen Platten 5 und'6 liegt
über den ohmschen Widerstand 7 die Gleichspam-ungsquelle 8, von der mit dem Schalter
9 auf eine Wechselspan ungsquelle 10 mit relativ zur Umdrehungszahl der Welle 1
hoher Frequenz umgeschaltet werden kann. Parallel zum Widerstand 7 liegt ein Spannungs-Auswerter
11.
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Bei eingeschalteter GleichspannUngsquelle 8 und rotierender telle
l wird die Scheibe 2 durch die ortsfesten Platten 3 und 4 bewegt. Aufgrund der unterschiedlichen
Dielektrizitätskonstanten der beiden Scheibenhälften treten beim Ubergang von einer
Hälfte auf die andere pro Umdrehung der Welle 1 zwei Kapazitätssprünge unterschiedlichen
Vorzeichens auf. Diese Kapazitätsänderungen verursachen einen Strom, der (m Widerstand
7 einen Spannungsabfall bewirkt, welcher seinerseits einem Spannungs-Auswerter 11
zugeführht wird. Da eine feste
Beziehung zwischen der Umlauffrequenz
der Welle-1 und der Frequenz der am Widerstand 7 anstehenden Spannung besteht, kann
mittels bekannter Methoden in dem Spannungs-Auswerter 11 die Umlauffrequenz bestimmt
werden.
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Bei kleinen Umdrehungszahlen sind die erzielbaren Spannungswerte am
Widerstand 7 allerdings'nur gering. Schaltet man jedoch mittels des Schalters 9
von der Gleichspannungsquelle 8 auf die Wechselspannungsquelle 10 um, so spielt
die durch Kapazitätsänderung entstehende Spannung gegenüber der Wechselspannung
nur eine untergeordnete Rolle, da die Frequenz der Wechselspannungsquelle voraussetzungsgemäß
gegenüber der Umdrehungszahl der Welle 1 groß ist. Man kann pro Umdrehung der Welle
1 zwei konstante Kapazitätswerte annehmen, denen zwei Spannungswerte am Widerstand
7 entsprechen, die ebenfalls leicht in einem Spannungsauswerter 11 in bekannter
Weise analysiert und einer Umdrehungszahl zugeordnet werden können, Die Kurvenform
der am Widerstand7auftretenden Spannung hängt von der Drehzahl der Welle 1, der
Geometrie der llatten 3 und 4 sowie von der Art der Verteilung der Dielektrizitätskonstanten
der Scheibe 2 ab, die Frequenz wird dagegen nur durch die Axt Konstanten-Verteilung
bestimmt. Beispielsweise ist eine Frequenzvervielfachung möglich, wenn die Scheibe
2 nicht nur aus zwei Hälften, sondern gemäß Fig. 3 aus mehreren Segmenten besteht,
wobei die Segmente abwechselnd aus Materialien kleiner und großer Dielektrizitatskonstanten
hergestellt sind. Die Spannungsform der Meßspamnung kann durch die Verteilung der
Dielektrizitätskonstanten der Scheibe g 2 etwa in der Weise verändert werden, daß
kein sprunghafter Wechsel der Dielektrizitätskonstanten auftritt, sondern ein kontinuierlicher
Übergang gemäß Fig. 4 gegeben ist. Dieser Ubergang kann nach Maßgabe einer mathematischen
Funktion
vorgenommen werden. Wählt man als Funktion beispielsweise
einen. Sinus, so tritt am Widerstand 7 eine mit der Umlauffrequenz der Welle 1 modulierte
Wechselspannung auf, aus der in einem Spannungsauswerter 11 ebenfalls mit bekannten
Mitteln die Umlauffrequenz bestimmt werden kann Die mit der Erfindung, erzielten
Vorteile bestehen insbesondere darin, da# keine störanfällige Verstärker und Lampen
benötigt werden und die Hoche der Meßspan. ung durch die Wechselspannungsquelle
10 steuerbar ist. Außerdem sind die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung verursachten
zusätzlichen Trägheitsmomente gegenüber den Trägheitsmomenten der auf dem dynamoelektrischen
Prinzip beruhenden Meßvorrichtungengering.Weiterhinkönnen auch kleine Umdrehungsgeschwindigkeiten
mit derselben Genauigkeit gemessen werden wie große.