DE1907368A1

DE1907368A1 - Schaltungsanordnung zur Messung des Verdrehwinkels

Info

Publication number: DE1907368A1
Application number: DE19691907368
Authority: DE
Inventors: Techn Reimar Germann Dipl-I Dr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-02-19
Filing date: 1969-02-14
Publication date: 1969-09-11
Also published as: CH477673A; US3589178A; AT280656B

Description

Pat 2081 D Dr.Oskar König 13.2.1969

Patentanwalt 7 Stuttgart W, KlüpWftr. 6

Dipl.Inc.Dr.Lr.h.c.Hans LIST, Graz (Österreich)

Schaltungsanordnung zur Messung des Verdrehwinkels

Die Erfindung besieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung des Verdrehwinkels von Wellen oder anderen rotierenden Maschinenteilen bei verschiedenen Drehzahlen, wobei an jenen Stellen der Welle, zwischen denen der Verdrehwinkel gemessen werden soll, zumindest je eine mit einem ortsfesten Impulsgeber zusammenarbeitende Marke angebracht ist und die von den Impulsgebern gelieferten Spannungsimpulse, je über einen Impulsformer den beiden Eingängen einer bistabilen Schaltstufe zugeführt sind, an deren Ausgang ein Rechteckimpuls aufscheint, dessen Breite dem Verdrehwinkel derWelle direkt und deren Drehzahl indirekt proportional ist, und wobei eine drehzahlabhängig betätigte Einrichtung zum Abgleich des Drehzahleinflusses auf die Breite des Rechteckimpulsee vorgesehen ist.

Bine laufende überwachung von Maschinenteilen, insbesondere Wellen, ist erstrebenswert, um während des Betriebes auftretende Gebrechen möglichst schon festeteilen zu können, bevor noch größere Schäden an der Maschine, bzw. dem Maschinenteil auftreten. Darüber hinaus soll überwacht werden, ob die mechanische Belastung sich in zulässigen Grenzen bewegt. Dies gilt insbesondere für Wellen von großen Maschinen, z.B. auch von Schiffewellen. Die überwachung bzw. Messung dee Verdrehwinkels ermöglicht es, die durch da· Drehmoment hervorgerufe-

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ηβη Beanspruchungen und Belastungen zu überwachen.

Nach bekannten Verfahren erfolgt die Meiasung des Drehmomentes meist mit Dehnungsmeßstreifen oder induktiven Meßwertaufnehmern. Auch kapazitive Verfahren sind bekannt. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß aie sehr kompliziert sind und zum Teil während desBetriebe8 Abgleicharbeiten erfordern.

Bekannt ist weiters eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art, bei der die Messung mit Hilfe von Impulsgebern erfolgt. Bin Nachteil dieses bekannten Systems besteht in der Drehzahlabhrin^igköit des an Ausgang der Schaltungsanordnung angezeigten Wertes des Verdrehwinkels. Um bei unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten zu können, ist daher eine Drehzahlkorrektur durchzuführen, die eine Berechnung des Verdrehwinkels mit Hilfe einer umständlichen Formel erfordert. Bine drehzahlunabhängige Winkelanzeige ist bei dieser Schaltung nur mit Hilfe von Computern erreichbar.

Die Erfindung bezweckt nun die Schaffung einer Schaltungsanordnung, die eine von der jeweiligen Drehzahl vollkommen unabhängige Direktanaeige des Verdrehwinkele liefert, wobei eine besondere Präzision der Messung erreicht werden soll· Brfindungs— gemäß ist zur Erreichung dieses Zielet vorgesehen, daß die Impulsformer von an sich bekannten, je aus einer Begrenzerstufe, einem Schmitt-Trigger, einer Phasenumkehrstufe und einem monostabilen Vibrator bestehenden Schaltungen gebildet sind, welche Rechteckimpulse konstanter Höhe und Breite liefern, deren ansteigende Planken mit dem Spannungenullpunkt der Geberimpulse synchronisiert sind, wobei der bistabilen Schaltstufe eine Intecrationsschaltung mit einem deren Zeitkonstante steuernden regelbaren Widerstand und dieser eine Spitζenspannungs-Meßeinrichtung nachgeschaltet ist und zum Abgleich des Drehzahleinflusses eine an sich bekannte Schaltungsanordnung vorgesehen ist, die eine der Drehzahl der Well· proportionale Gleichspannung liefert, welche den regelbaren Widerstand der Integrationsaohaltung in dem Sinne beeinflußt, daß bei gleiche« T«r4rehwinkel bei jeder

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Drehzahl der gleiche Spitzenv/ert der integrierten Spannung am Ausgang der Spitzenspannungs-Meßeinrichtung aufscheint.

Mit dieaer Schaltungsanordnung wird also mit einfachen Schalungselementen eine Direkt anzeige des Verdrehwinkel· erhalten, die nicht nur für alle vorkommenden Drehzahlen gilt, sondern die sich auch durch ihre besondere Präzision auszeichnet. Für den letzteren Umstand ist die Art und Heise der Umformung der von den Impulsgebern gelieferten Spannungsimpulae in synchronisierte Rechteckimpulse verantwortlich. Diese an sieh bekannte Art der Impulsformung ist bei der erfindungegem&ßen Schaltungsanordnung deshalb von besonderer Bedeutung, als es sich bei der Messung von Verdrehwinkeln rotierender Maschinenteile im allgemeinen um sehr kleine Winkel handelt und daher eine präzise Erfassung des Zeitpunktes, in dem sich die Marken mit den Impulsgebern decken, anzustreben ist. Bei üblichen Impulsgeberschaltungen wird der Umstand außer acht gelassen, daß schon bei der Verarbeitung der Geberimpülse eine Drehzahlabhängigkeit auftritt, u.zw. in der Eorm, daß mit engender Drehzahl eine zunehmende Verspätung des erhaltenen Rechteckimpulses eintritt. Dieser Nachteil tritt bei der erfindungsgemäßen Schaltung nicht auf und diese liefert vielmehr einen Rechteckimpuls konstanter Hohe und Breite, dessen ansteigende Flanke bei jeder Drehzahl mit dem Spannungsnullpunkt des Geberimpulses synchronisiert ist.

Vorzugsweise ist nach der Erfindung als Integrationsschaltung ein Miller-Integrator vorgesehen, der aus einem Operationsverstärker, einer Kapazität und einem Transistor, vorzugsweise einem Feldeffekttransistor, besteht, dessen Bahnwiderstand durch die Gleichspannung der Schaltungsanordnung zum Ab- _; gleich des Drehzahleinflusses gesteuert ist·

In vielen Fällen kann es auch wünschenswert sein, bei einem vorgegebenen Verdrehwinkel die Aus gange spannung !full zu erhalten. Zu diesem Zweck kann nach einem weiteren Irfinaungemerfcmal einer der Impulsgeber zur Voreinstellung eine· bestimmten Yerdre&— winkeis verstellbar angeordnet sein·

lin Aueführunesbeitpiea der Irfindune »oll nachfolgend an Hand der Zeionnungen nlher beschrieben werden. 11«« 1

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das Blockechaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung· fig. 2 zeigt den Impulsplan an den einzelnen, in Yig· 1 angegebenen Punkten mit der zelt liehen Zuordnung für zwei verschiedene Drehzahlen n* und n^·

An den Xnden der zu untersuchenden Welle, bzw· an den Stellen zwischen denen der. Verdrehwinkel erfaßt werden soll, sind zwei Scheiben 1 und 2 mit je einem Indikatorteil angeordnet. Diese Scheiben bestehen vorzugsweise aus nichtmagnetisehen Material und haben je eine Marke aus ferromagnetischem Material· Die Scheiben sind so befestigt, daß sich die Marken im unbe- . lasteten Zustand der Welle decken, d.h. in einer gedachten achs-.parallelen Linie liegen. Zur Erleichterung der Einstellung kann jedoch ohne weiteres jede Scheibe für sich fest montiert werden und die Justierung auf eine gedachte Linie durch Verstellung des elektromagnetischen Aufnehmers erfolgen. Die Abnahme erfolgt vorzugsweise über zwei robuste elektromagnetische Impulsgeber *> und 4.

Es ist jedoch auch ohne weiteres möglich, die Spannungsinipulse mit fotoelektrischen Mitteln über Lichtschranken zu einhalten. Unter gewissen Voraussetzungen kann auch an Stelle der oben beschriebenen Scheiben einfachjeine Mutter oder ein anderer Indikatorteil, der an der Welle befestigt ist, verwendet werden.

Bei Vorb»ibewegen des Indikatorteiles der Scheiben 1 und 2 wird in den elektromagnetischen Impulsgebern eine elektrische Spannung induziert. Man erhält somit je Impulsgeber 3 und 4- einen Spannungsimpuls U. und U_B (siehe Pig. ·2). Diese beiden Impulse sind bei Verdrehung der Welle um die Zeit T^ bzw. T₂ (Pig. 2) versetzt. Der zeitliche Abstand der beiden Impulse ist dabei eine Funktion der Drehzahl der zu untersuchenden bzw· zu überwachenden Welle. Um sicherzustellen, daß die Impulsabgabe genau zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem der Indikatorteil am zugehörigen Impulsgeber vorbeigeht, wird den beiden elektromagnetischen Impulsgebern J und 4 je eine an sich bekannte Schaltungsanordnung 5 und 6 zur Abgabe eines mit dem Vorbeigang des Indikatorteiles am Impulsgeber synchronisierten, drehzahlunabhängigen Impulse·

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nachgeschaltet. Eine solche Schaltungsanordnung ist z.B. in der österr. Patentschrift Nr. 242.985 näher beschrieben. Im Ausgang dieser beiden Schaltungsanordnungen 5 und 6, das ist an den Punkten C und D, treten somit Bechteckspannungen U₀, Ujj konstanter Breite und konstanter AmplitudenhShe auf. Die ansteigenden Flanken dieser Rechteckisipulise sind zeitlich gegeneinander verschoben und dies· Verschiebung ist dem Verdrehwinkel der Welle proportional. Durch die Verwendung der erwähnten synchronisierten drehzahlunabhängigen Geberimpulse ist die Erfassung der Verdrehung der Welle bei allen Drehzahlen mit größter Präzision gewährleistet.

Durch die ansteigende Planke dieser oben beschriebenen Rechteckimpulse U₀ und U_ß wird eine bistabile Kippstufe 7 angesteuert. Am Ausgang B dieser Kippstufe 7 tritt eomit ein Rechteckirnpuls IL, auf. Die Breite dieses Rechteckimpulses ist dem Verdrehwinkel der au untersuchenden bzw. zu überwachenden Welle proportional. Dieser Rechteckimpuls U™ wird einer Integrationsschal bung 13 zugeführt. Diese Integrationsschaltung ist vorzugsweise ein Millerintegrator, bestehend aus einem Operationsverstärker 1o mit sehr hoher Leerlaufverstärkung und dem RO-Glied 9 und 11 φ Im vorliegenden Fall wird der Widerstand R durch den über eine Steuerspannung beeinflußbaren Widerstand zwischen Quelle und Senke eines Feldeffekttransistors 9 gebildet.

Würde die Zeltkonstante des RC-GIiedes der verwendeten Integrationsschaltung konstant sein, so bekäme man.für verschiedene Zeiten T^ und T₂ - diese entsprechen, wie oben angegeben, den Verdrehwinkeln - auch verschieden hohe Ausgangsspannungen am Integrator. Für unterschiedliche Drehzahlen ist aber der zeitliche Abstand der Impulse TJL und U^ und damit die Impulsdauer des Bechteckimpulses Ug bei gleichem Yerdrehwinkel verschieden. Das heißt also, daß, sofern· die Zeitkonstante des Integrationsgliedes konstant ist, für verschieden· Drehsahlen eine verschieden hohe Ausgangsspannung aa Integrator, wie schon oben beschrieben, erhalten wird· Bs ist daher notwendig, dl·

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Zeitkonstaate de» RO-Gliedee in Abhängigkeit der Drehsahl

Maschine bzw. der zu untersuchenden Welle so su verstellen, daS bei gleichen Verdrehwinkel die Amplitude am Ausgang des Integrators für verschiedene Zeiten gleich groß ist·

Gea&B der vorliegenden Erfindung erfolgt die SteiHürsis^ so, daß in Abhängigkeit der Drehzahl eine dieser propo^ti- alan Gleichspannung gewonnen wird. Die Umwandlung kann la einfachstes Weise dadurch erfolgen, daß die Impulse eines elektromagnetischen Impulsgebers, z.B. 3 in Jig. 1, einer der bereits bekannten Schaltungen (8 in Fig. 1) zugeführt werden. Sine der bekannten Schaltungen ist so aufgebaut, daß die vom Impulsgeber 3 gelieferten Impulse in Hechteckimpulse konstanter Breite und Höhe umgewandelt und anschließend einem Integrator zugeführt werden. Bainit wird eine der Drehzahl proportionale Spannung erhalten. Im vorliegenden Fall wird diese der Drehzahl proportionale Gleichspannung dazu verwendet, den Widerstand des RC-Integrationsgliedes zu beeinflussen. Im gezeichneten Beispiel wird der veränderliche Widerstand durch einen FeId-Effekt-Iransistör 9 gebildet. Durch Veränderung der Spannung zwischen Gitter und Quelle ändert sich der Bahnvri.derst.-nd des Feld-Effekt-Transistors 9· Dadurch wird erreicht, da3 die Zeitkonstante des Inte^rationsgliedes in Abhängigkeit von der Drehzahl verändert wird. Bei der Integration des Rechteckimpulses U« wird am Ausgang des Integrators ein linearer Spannungsanstieg erhalten. Der Anstieg ist durch €en Winkel et,· «-₄ j._n pig. 2 charakterisiert. Durch Veränderung der Zeitkonstanten wird der Winkel so verändert, daß bei einem zeitlichen Abstand T,. und T₂, der aufeinanderfolgenden Impulse entsprechend zwei unterschiedlichen Drehzahlen n^ und ng, eine bei gleichem Verdrehwinkel gleiche Ausgaagsspannung Ug₁- Ug₂ erhalten wird.

Durch Nachschaltung einer Spitzenspannungsmeßeinrichtung 12 nach dem Integrator wird der Spitzenwert der Ausgangespannung des Integrators und damit der Verdrehwinkel direkt erfaßt.

Ss ist jedoch selbstverständlich auch möglich, eine andere Integrationsschaltung zu verwenden, wobei erfindungegemiß di·

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Zeitkonstante dieser verwendeten Integrationsschaltung in Abhängigkeit von der Drehzahl der zu untersuchenden Welle "beeinflußt werden muß. So ist ei z.B. auch möglich, eine Bootstrapschaltung anzuv/enden. Eine Beeinflussung der Zeitkonstante des RC-Gliedes kann selbstverständlich auch durch Veränderung der Kapazität 11 erfolgen·

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, der Spitzenspannungsmeßeinrichtung 12 eine Diekriminatorschaltung zur Erfassung von Grenzwerten nachzuschalten und damit eine laufende überwachung bei Ober- oder Unterschreitung des Verdrehwinkels zu erhalten.

Durch verdrehbare Ausbildung der Halterung für den elektromagnetischen Impulsgeber kann bei einer bestimmten konstanten Verdrehung der Welle der zeitliche Abstand der Impulse auf den Wert Null abgeglichen werden, eodaß auch die Auegangespannung Ug der Schaltungsanordnung Null wird· Dies bedeutet ferner, daß für einen konstanten Verdrehwinkel keine Ausgangsspannung erhalten wird. Indert sich der Verdrehwinkel, so wird, je nachdem ob die Änderung positiv oder negativ erfolgt, eine Ausgangβspannung, die diese Änderung anzeigt, erhalten· Somit ist es möglich, diese Schaltungsanordnung für Regelanlagen, die auf konstante Drehmomente regeln, zu verwenden· Die Regelabweichung wird am Ausgang der Schaltungsanordnung erhalten, die Vorgabe des Sollwertes erfolgt durch Verstellung eines der elektromagnetischen: Impulsgeber 3 bzw. 4··

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Claims

P a t e η t a nsprüche

Schaltungsanordnung zur Messung des Verdrehwinkele von Wellen oder anderen rotierenden Maschinenteilen bei verschiedenen Drehzahlen, wobei an jenen Stellen der Welle, zwischen denen der Verdrehwinkel gemessen werden soll, zumindest j· eine mit einem ortsfesten Impulsgeber zusammenarbeitende Marke angebracht ist und die von den Impulsgebern gelieferten Spannungsimpulse je über einen Impulsformer den beiden Bingängen einer bistabilen Schaltstufe zugeführt sind, an deren Ausgang ein Rechteckimpuls aufscheint, dessen Breite dem ¥er-.drehwinkel der Welle direkt und deren Drehzahl indirekt proportional ist, und wobei eine drehzahlabhängig betätigte Einrichtung zum Abgleich des Drehzahleinflusses auf die Breite dos Rechteckimpulses vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Impulsformer von an sich bekannten, je aus einer Begrenzerstufe, einem Schmitt-Trigger, einer Phasenumkehrstufe und einem monostabilen Vibrator bestehenden Schaltungen (5,6) gebildet sind, welche Rechteckimpulse (Uq,U_D) konstanter Höhe und Breite liefern, deren ansteigende Flanken mit dem Spannungsnullpunkt der Geberimpulse (p£,U_B) synchronisiert sind, wobei der bistabilen Schaltstufe (7) eine Integrationsschdfcung (13) mit einem deren Zeitkonstante steuernden regelbaren Widerstand (9) und dieser eine Spitzenspannungs-Meßeinrichtung (12) nachgeschaltet ist und zum Abgleich des Drehzahleinflusses eine an sich bekannte Schaltungsanordnung (8) vorgesehen ist, die eine der Drehzahl der Welle proportionale Gleichspannung (U^) liefert, welche den regelbaren Widerstand (9) der Integgrationsschaltung (13) in dem Sinne beeinflußt, daß bei gleichem Verdrehwinkel bei jeder Drehzahl der gleiche Spitzenwert (U^ ■ Uj^) der integrierten Spannung am Ausgang der Spitzenspannungs-Meßeine' richtung (12) aufscheint.

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Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Integrationsschaltung (13) ein Miller-Integrator vorgesehen iüt, der aus einen Operationsverstärker (10), einer Kapazität (11) und einem Transistor, vorzugsweise einem Feldeffekttransistor (9), "besteht, dessen Bahnwiderstand durch die Gleichspannung (U^) der Schaltungsanordnung (8) zum Abgleich des Drehzahleinflusses gesteuert ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Impulsgeber (3,*) zur Voreinstellung eines bestimmten ferdrehwinkels verstellbar angeordnet ist.

10.2.69 Kr/I

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