DE1801421A1

DE1801421A1 - Tachometer

Info

Publication number: DE1801421A1
Application number: DE19681801421
Authority: DE
Inventors: Campbell Edwin R
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1967-10-09
Filing date: 1968-10-05
Publication date: 1969-08-14
Also published as: IL30840A0; SE336065B; FR1588316A; DE1801421B2; GB1226149A

Description

OR.-INQ. DIPL.-INO. M.SC. OIPL.-PMVS. OR. OIPU.-PMVS. HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWAl₁Te IN STUTTGART

A 36 799 h

4.10.1968

U.S.Ser.No. 673,761

United Aircraft Corporation, East Hartford, Connecticut, U.S.A.

Tachometer

Die Erfindung betrifft ein Tachometer mit einer Fühlvorrichtung, in der beim Vorbeigehen einer Laufvorrichtung, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll, ein Signal erzeugbar ist.

Zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit einer Trommel, eines Kompressors oder einer Turbine eines Düsenmotors für Luftfahrzeuge ist es bekannt, die Geschwindigkeit durch ein unmittelbar angetriebenes Tachometer zu überwachen, das wiederum eine Fernanzeigevorrichtung antreibt. Die Konstruktion von vielen modernen Düsenmaschinen gestattet es überhaupt nicht oder nur unter ungünstigen Verhältnissen, ein Tachometer, beispielsweise mit der Kompressorwelle über ein Getriebe zu verbinden, um so ein Haß für die Wellengeschwindigkeit zu erhalten.

Es wurde schon versucht, diese Schwierigkeit durch Verwenden eines Flügelspitzenfühlers zu vermeiden, der ein Signal entsprechend der Wellengeschwindigkeit erzeugt. Fühler bekannter Art, die in einer solchen Anordnung verwendet werden können, ergaben jedoch keine befriedigende Lösung. Beispielsweise leiden kapazitive

9O9833/O750

; A 36 799 h
^! h-24

4.10.1968

Fühler unter ümgebungsschwierigkeiten und haben ein schlechtes Signal-Rauschverhältnis. Ein oinen Abstimmkreis aufweisender Fühler würde zwar beim Vorbeigang eines Gebläseflügels verstimmt und dabei ein sehr starkes Signal erzeugen, doch kann diese Konstruktion deswegen' nicht verwendet werden, weil ein hier erforderliches Hochfrequenzträgersignal nicht zulässig ist, da es die elektronische ilavigationseinrichtung des Luftfahrzeuges stören könnte. Da die Gebläseflügel aus nichtmagnetischen Metallen, beispielsweise Titan oder Aluminium, sind und keine Eisenstücke den Flügeln zugefügt werden können, so sind bis jetzt magnetische fe Fühler als unpraktisch betrachtet worden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Tachometer zu schaffen, das ohne Störung durch äußere Einwirkungen und ohne Beeinflussung von Hochfrequenzanlagen die genaue Geschwindigkeit einer sich bewegenden Laufvorrichtung feststellt. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Laufvorrichtung mindestens an dem der Fühlvorrichtung bemachbarten Teil elektrisch leitend ist, der durch den Luftspalt eines Kagnetkreises hindurchbewegbar ist, in dem ein Magnetfeld durch einen !Magnetfelderzeuger erzeugbar ist, und daß die zur Erzeugung der Signale dienende Fühlvorrichtung auf die Änderungen des Magnetfeldes des Magnetkreises beim Vorbeigehen des elektrisch leitenden Teils der Laufvorrichtung anspricht.

Dieses erfindungsgeraäße Tachometer ist im besonderen in Verbindung mit Luftfahrzeugturbinen von Vorteil. Es ergibt ein verhältnismäßig großes Ausgangssignal. Ferner ist kein Hochfrequenzträger erforderlich, schließlich ist auch das Signal-Rauschverhältnis bei einem derartigen Tachometer sehr hoch. Außerdem ist das erfindungsgemäße Tachometer verhältnismäßig einfach im Aufbau und in seinem Betrieb.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.

~ 3 —

9 0 9833/075 0

180H21

A 36 799 h ~ - \-

h-24 3

4.10.1968

Das Tachometer gemäß der Erfindung ist im besonderen bei Düsenmotoren vorteilhaft. Bei einer speziellen Anwendung der Erfindung gehen die Turbinenblätter eines Kompressors durch ein Luftspaltfeld hindurch, das von einem Permanentmagneten erzeugt ist, der seinerseits einen Teil eines Magnetkreises mit einer Spule bildet. Wenn sich die Flügel aus leitendem Material durch den luftspalt hindurchbewegen, so werden dort Wirbelströme erzeugt, die ein Gegenmagnetfeld erzeugen, so daß sich eine Änderung des statischen Feldes ergibt, wodurch in den Windungen einer Spule ein Ausgangssignal erzeugt wird. Die Anzahl der Ausgangsimpulse pro Zeiteinheit ergibt ein Maß für die Drehgeschwindigkeit der Turbine.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Tachometers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des durch daß Tachometer erzeugten Ausgangssignals.

In der Zeichnung ist mit 10 das erfindungsgemäße Tachometer als Ganzes bezeichnet, das im Zusammenhang mit dem Kompressorteil eines luftfahrzeugdüsenmotors verwendet wird. Dargestellt sind lediglich einige Teilstücke einiger weniger Flügel 12 eines Kompressors, während bekanntlich der Kompressor eine Vielzahl von Flügeln 12 hat. Wie allgemein bekannt, umgibt ein Mantel 14 die Flügel 12. Der Mantel 14 hat eine Öffnung 16, in der ein Gehäuse 18 aus magnetischem Material angeordnet ist, das über einen Flansch 22 durch Schrauben 20 am Mantel 14 befestigt ist.

Das erfindungsgemäße Tachometer 10 weist ferner einen Kern 24 aus magnetischem Material auf, der mit der Stirnwand 26 des Gehäuses in geeigneter Weise, beispielsweise durch Schweißen oder dergleichen, fest verbunden ist. Das der Stirnseite 26 abgewandte

— 4 -909833/0750

A 36 799 h - > -

h-24 L

4.10.1968 ^T

Endes des Kernes 24 trägt einen Permanentmagneten 28, der am offenen Ende 30 des Gehäuses 18 angeordnet ist. Aus der eben beschriebenen Bauart ergibt sich, daß ein Magnetkreis durch die Wand des-Gehäuses 18, den Kern 24_S den Permanentmagneten 28 und einen relativ großen Luftspalt zwischen dem Permanentmagneten 28 und dem offenen Ende 30 des Gehäuses gebildet ist. Ferner ist das PeId f, wie es durch den Permanentmagneten 28 erzeugt wird, durch gestrichelte Linien in Fig. 1 angedeutet. Unter Luftspalt wird dabei insbesondere der Raum zwischen dem offenen Ende 30 und den Spitzen der Flügel 12 verstanden.

Wie bereits erwähnt, sind die Flügel 12. aus einem elektrisch leitenden, nichtmagnetischen und magnet!sierbaren Material gebildet. Wenn sich nun die Flügel 12 durch das Feld -P im Luftspalt hindurchbewegen, so werden in den Flügeln in bekannter Weise Wirbelströme erzeugt. Diese Wirbelströme ihrerseits erzeugen ein Magnetfeld, das dem die Wirbelströme erzeugenden Feld entgegengesetzt ist. Infolge der Anordnung des Luftspaltes und des sich bo ergebenden Magnetkreises ergibt sich beim Hindurchgehen eines Flügels durch den Luftspalt für dieses Feld eine Änderung entsprechend einer vollständigen Periode.

Auf dem Kern 24 ist eine Spule 32 angeordnet, deren Achse koaxial zum Kern 24 ist. Wenn nun das Feld des Magnetkreises eine Änderung entsprechend einer vollen Periode erfährt,, so wird hierdurch in der Spule 32 eine Spannung erzeugt. In Fig. 2 ist die Spannung dargestellt, die in der Spule 32 beim Vorbeigang auf·- . einanderfolgender Flügel 12 durch das Luftspaltfeld erzeugt wird. Es ergibt sich so, daß beim Durchgang jedes einzelnen Flügels durch das Luftspaltfeld die in der Spule induzierte Spannung eine volle Periode aufweist. Ferner ist der Abstand zwischen entsprechenden Punkten zweier aufeinanderfolgender Perioden ein Maß für den Zeitraum, der zwischen dem Durchgang des ersten Flügels am fachometer und dem Durchgang des darauffolgenden

- " ■.'' ■ ■ ■■'■': ■.■■■■'■■«■ 5-«. - ■"'■ . ■■.:.. 909833/0750- ^:>" ' : .■ . ^:\ .-'." '

180H21

A 36 799 h . - 5 -

4.10.1968

Flügels am Tachometer vergeht und damit ein Maß für die Drehgeschwindigkeit des Kompressors.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Tachometers gegenüber den üblichen magnetischen Aufnehmern besteht darin, daß ein verhältnismäßig großes Ausgangssignal erzeugt wird, auch wenn der luftspalt oder der Raum zwischen einer Flügelspitze und dem Fühler verhältnismäßig groß ist. Typische Abstände bei einem Üblichen Tachometeraufnehmer für das Abfühlen des Vorbeigangs von Eisenflügeln sind von der Größenordnung von 0,127 bis 0,508 mm. Im Gegensatz hierzu arbeitet der Fühler gemäß der Erfindung auch bei Abständen bis zu 12,7 mm, obgleich ein schmaler Spalt.ein entsprechend größeres Ausgangssignal ergibt. Das Signal-Rauschverhältnis bei dem erfindungsgemäßen Fühler ist größer als 10 : "1, auch wenn ein verhältnismäßig großer Luftspalt verwendet wird. Es ist gemäß der Erfindung möglich, brauchbare Ausgangssignale bei Flügelgeschwindigkeiten von weniger als 6 m pro Sekunde und hinauf bis zu ungefähr 137 m pro Sekunde zu erhalten.

Bei einem besonderen Einbau, bei dem das erfindungsgemäße Tachometer zusammen mit einem Kompressorgebläse von 2,36 m Durchmesser und sechsundvierzig nicht aus Eisen bestehenden Flügeln bei einem normalen Abstand von 5iO8 mm zwischen Flügelspitze und dem Magneten verwendet wird, ergibt das Tachometer ein brauchbares Ausgangssignal in einem Bereich zwischen ungefähr 120 Upm und ungefähr 4000 Upm. Bei sechsundvierzig Flügeln bei 120 Upm wird eine Spannung von 92 Hertz in der Spule 32 erzeugt. Bei 4000 üpm ergibt sich eine Spannung von 8066 Hertz in der Spul'e 32. Es wird nun willkürlich eine Geschwindigkeit von 3600 Upm ausgewählt, die beispielsweise auf dem noch zu beschreibenden Anzeiger einen vollen Skalenausschlag ergibt. Bei einem Kompressor mit sechsundvierzig Flügeln hat hier das Ausgangssignal der Spule 32 2760 Hertz. Es wird nun das Spulenausgangssignal dem Eingangs-.teil 36 eines Zählers 38 über einen Gleichrichter 40 zugeführt.

909833/0750

A 36 799 h

4.10.1968

Bei einer Geschwindigkeit des Kompressors von 3600 Upm werden also 2760 Impulse pro Sekunde dem Eingangsteil 36 aufgedrückt. Wenn nun willkürlich"100 Zählungen eine Ablesung bei vollem Skalenausschlag darstellen, wird der Zähler 38 nach jeweils 100 Zählungen zurückgestellt. Es sei noch erwähnt, daß 100 Zählungen jeweils alle 0,032 Sekunden erzeugt werden.

Ferner ist ein Oszillator vorgesehen, der ein Signal mit einer Frequenz von 884 Hertz erzeugt und dessen Ausgangssignalfrequenz durch 32 in einem Frequenzteiler 44 geteilt wird, um so ein Rückstellsignal alle 0,032 Sekunden in der Leitung 46 zu erzeugen. Der Frequenzteiler 44 kann beispielsweise aus einer Vielzahl von fünf Flip-Flop-Schaltungen bestehen, die so angeordnet sind, daß sie die erforderliche Frequenzreduktion erzeugen. Die Impulse der Leitung 46 werden unmittelbar einem Gatter 48 zugeführt, dem auch das Ausgangssignal des Zählers 38 aufgedrückt wird. Ferner führt eine Verzögerungsschaltung 50 die in der Leitung 46 vorhandenen Impulse dem Rückstellteil 52 des Zählers 38 mit einer solchen Verzögerung zu, daß mit Sicherheit das Zählerausgangssignal abgelesen wird, bevor der Zähler wieder zurückgestellt wird.

Ein Speicher 54, dem das Gatter 48 das Zählerausgangssignal aufdrückt, bildet den Eingang einer Vergleichsvorrichtung 56. Ein Analogdigitalwandler 58 liefert ein zweites Eingangssignal an die Vergleichsvorrichtung 56. Ferner wird nun das Ausgangssignal der Vergleichevorrichtung einem Servomotor 60 zugeführt, der über ein Gestänge 62 eine Anzeigevorrichtung £4 und den Wandler 58 antreibt.

Im folgenden sei nun die Wirkungsweise des neuartigen Tachometers kurz beschrieben.

Wenn ein Flügel 12 durch das FeId*-^ im Luftspalt zwischen dem Permamentmagneten 28 und dem offenen Ende 30 des Gehäuses 18 hin-

- 7 909833/0750

A 36 799 h

4.10.1968

durchgeht, so v/erden in Flügel Wirbelströme erzeugt. Diese Wirbelströme erzeugen ihr eigenes Feld, das dem Feld ^ im Luftspalt entgegengesetzt ist. Hierdurch ergibt sich jedesmal eine periodische Änderung des Flusses *P"_t wenn ein Flügel durch den Luftspalt hindurchgeht. Diese Feldänderung erzeugt in der Spule 32 eine entsprechende periodische Spannung, die in Fig. 2 eingezeichnet ist. Die Anzahl der Perioden pro Sekunde, wie sie entsprechend dem Durchgang aufeinanderfolgender Flügel durch den Fühler erzeugt werden, ist ein Maß für die Geschwindigkeit des Kompressors. Der Verstärker 34 verstärkt dieses Ausgangssignal, das über die Diode bzw. den Gleichrichter 40 dem Eingangsteil 36 des Zählers 38 zugeführt wird.

Der Zähler 38 zählt die Anzahl der Impulse. Alle 0,032 Sekunden wird das Gatter 48 aktiviert und die Zählung gelangt nun zum Speicher 54. Die Vergleichsvorrichtung 56 vergleicht die gespeicherte Zählung mit der Zählung des Wandlers 58, der der zur Zeit vorhandenen Anzeige entspricht. Wenn ein Unterschied vorhanden ist, wird der Servomotor 60 erregt, um die Anzeigevorrichtung 64 zur Anzeige eines neuen Geschwindigkeitswertes zu betätigen. Die Zahl der zwischen aufeinanderfolgenden Signalen in der Leitung 46 auftretenden Impulse stellt daher die Geschwindigkeit des Kompressors dar, wobei 100 Zählungen den vollen Ausschlag oder 3600 Upm bedeuten.

Aus Vorstehendem ergibt sich, daß damit die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst ist. Es wurde also ein Tachometer geschaffen, das in besonderen Maße zur Verwendung bei Düsenmotoren von Luftfahrzeugen vorteilhaft ist. Das erfindungsgemäße Tachometer hat ein hohes Signal-Rauschverhältnis. Es erfordert nicht die Verwendung irgendeines Hochfrequenzträgersignals. Ferner ist es einfach in seiner Bauart und in seinem Betrieb.

- 8 909833/0750

Claims

A 36 799 h - 8 -

1.Okt.1968

Patentansprüche

1. Tachometer mit einer Fühlvorrichtung, in der beim Vorbeigehen einer Laufvorrichtung, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll, ein Signal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufvorrichtung mindestens an dem der Fühlvorrichtung (32) benachbarten Teil (12) elektrisch leitend ist, der durch den Luftspalt eines Magnetkreises (18, 20, 28) hindurchbewegbar ist, in dem ein Magnetfeld durch einen Magnetfelderzeuger (28) erzeugbar ist, und daß die zur Erzeugung der Signale dienende Fühlvorrichtung (32) auf die Änderungen des Magnetfeldes des Magnetkreises (18, 20, 28) beim Vorbeigehen des elektrisch leitenden Teils (12) der Laufvorrichtung anspricht«

2. Tachometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelderzeuger ein Permanentmagnet (28) ist.

3. Tachometer nach Anspruch'1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung eine das Magnetfeld umfassende Spule (32) ist.

4. Tachometer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkreis ein Gehäuse (18) aus magnetisierbarem Material aufweist, das ein geschlossenes Ende (26) und ein in der llähe des Luft spalt es angeordnetes offenes Ende (30) und ferner einen Kern (24) aufweist, der sich vom geschlossenen (26) zum offenen (30) Ende erstreckt.

- 9 909833/0750

T 8OU 21

A 36 799 h - 9 -

1.Okt.1968
h-35

•

5. Tachometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung .(32) auf dem Kern (24) angeordnet ist.

6. Tachometer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (24) stabartig ist.

7. Tachometer nach einem der Ansprüche 4 Ms 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (18) eine längliche Form hat.

8. Tachometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (28) neben dem luftspalt angeordnet ist.

9. Tachometer nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (28) vom Kern (24), insbesondere dessen freien Ende, getragen ist.

10. Tachometer· nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufvorrichtung eine Vielzahl von Flügeln (12) hat, die von einer Welle, beispielsweise der Welle einer Turbine,getragen sind.

11. Tachometer nach Anspruch 10,- dadurch gekennzeichnet, daß ein die Flügel (12) umgebender Mantel (14) vorgesehen ist, der eine Öffnung (16) hat, in der die Füllvorrichtung (32) angeordnet ist.

12. Tachometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (18) in der öffnung (16) mit dem offenen Ende (30) radial nach innen zu befestigt ist.

909833/0750

Leerseite