DE19546512A1 - Drehzahlmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Dreh­ zahl von rotierenden Bauelementen gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4.

Solche Verfahren und Vorrichtungen finden beispielsweise bei der Drehzahlmessung von rotierenden Achsen schienengebundener Fahrzeuge eine Anwendungen.

Es sind bereits eine Vielzahl von Verfahren sowie auch Vorrichtungen bekannt, mit denen eine solche Drehzahlmessung durchgeführt werden kann. Es handelt sich dabei sowohl um Verfahren bei den die Meßeinrichtung mit dem rotierenden Bauteil in Berührung steht als auch um berührungsfrei arbeitende Verfahren. Die letztge­ nannten Verfahren arbeiten optisch, kapazitiv oder induktiv. Bei den optisch arbeiten­ den Verfahren werden beispielsweise kodierte Scheiben oder Lichtschranken ver­ wendet. Die elektrischen Verfahren beruhen auf dem Prinzip, daß durch ein auf der Achse angebrachtes Zahnrad mit rechteckigen Zähnen der Abstand zwischen der Achse und der Meßvorrichtung periodisch moduliert wird. Aus der Modulationsfre­ quenz kann die augenblickliche Drehzahl ermittelt werden. Erfolgt die Messung kapa­ zitiv so wird das Meßsignal aus der Kapazität eines durch den Zahnkranz und die Meßvorrichtung gebildeten Kondensators ermittelt. Bei der induktiven Messung wird das Meßsignal aus der durch den Zahnkranz in einer Spule der Meßvorrichtung induzierten Spannung ermittelt. Bei den berührenden Verfahren besteht ein mecha­ nischer Kontakt zwischen dem drehenden Teil und der Meßvorrichtung.

All diese bekannten Verfahren beruhen auf der Messung des zeitlichen Abstands ei­ ner sprunghaften Änderung des Meßsignals. Bei den optischen Verfahren ergibt sich die Änderung des Meßsignals mit Hilfe von Kodierungsmarken, bei den elektrischen Verfahren durch die sprunghafte Änderung des Abstandes am Anfang und am Ende der rechteckigen Zähne des Zahnkranzes. Bei diesen Verfahren ist daher die zeit­ liche Auflösung der Drehzahlmessung durch die Breite der Kodierungsmarken bzw. der Zähne des Zahnkranzes und deren Abstand begrenzt. Daher sind die bekannten Verfahren für die Messung sehr kleiner Drehzahlen von rotierenden Bauelementen nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Drehzahl von rotierenden Bauelementen auch bei sehr langsamen Umdrehungen derselben exakt ermittelt werden kann, sowie eine Vorrichtung zu schaffen mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe, wird das Verfahren betreffend, durch die Merkmale des Patentan­ spruch 1 gelöst.

Eine Vorrichtung mit der das Verfahren durchführbar ist, ist in Patentanspruch 4 of­ fenbart.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Drehzahl von rotierenden Bauele­ menten auch bei sehr langsamen Umdrehungen exakt gemessen werden, da das Verfahren nur durch die verwendete Vorrichtung bzw. die Meßdatenerfassung in seiner zeitlichen Auflösung begrenzt ist. Mit dem Verfahren werden von einem festen Meßpunkt aus die senkrechten Abstände zu Abstandsänderungen definierter Größe gemessen, die in einem definierten Bereich auf der Oberfläche des rotierenden Bau­ elements angeordnet sind. Aus den Meßsignalen, den geometrischen Abmessungen der Abstandsänderungen und den geometrischen Abmessungen des rotierenden Bauelements sowie der Zeitdifferenz zwischen zwei Messungen wird die Drehzahl n des rotierenden Bauelements ermittelt. Für die Durchführung der Messungen sind zwei Meßgeräte vorgesehen. Das erste Meßgerät ist über dem Bereich installiert, innerhalb dessen Abstandsänderungen definierter Größe angeordnet sind. Das zweite Meßgerät ist über einem glatten Bereich der Oberfläche des rotierenden Bauelements installiert. Die Signalausgänge der beiden Meßgeräte sind an einen Mi­ kroprozessor angeschlossen. Dieser berechnet aus den Meßsignalen die Drehzahl des rotierenden Bauelements. Mit Hilfe des Meßsignals, das von dem zweiten Meß­ gerät ermittelt wird, werden Störungen kompensiert, die beispielsweise durch Vibra­ tionen verursacht werden.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßanordnung zur Ermittlung der Drehzahl rotierender Bauelemente,

Fig. 2 eine spezielle Ausgestaltung der rotierenden Bauelemente für die Messung,

Fig. 3 ein Meßgerät 2 unmittelbar über dem Meßbereich des Bauelements gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine andere Ausgestaltung der Oberfläche von rotierenden Bauelementen für deren Drehzahlmessung.

Die in Fig. 1 dargestellte Meßanordnung 1 umfaßt zwei Meßgeräte 2 und 3 und einen Mikroprozessor 4 mit einer Anzeige 4Z. Die Meßgeräte 2 und 3 sind für die Abstands­ messung vorgesehen. Sie können als optische, kapazitive oder induktive Meßgeräte 2 und 3 ausgebildet sein. Sie sind beide in jeweils einem festen Meßpunkt 2M bzw. 3M gehaltert. Als Meßgeräte 2 und 3 können hierbei Abstandssensoren herkömm­ licher Bauart entsprechend dem Stand der Technik eingesetzt werden. Bei optischen Meßgeräten bestehen die Meßgeräte 2 und 3 beispielsweise aus je einer Sender- Leuchtdiode (LED) und einem positionsempfindlichen Photodetektor, wobei der Ab­ stand mittels des sogenannten Triangulationsverfahrens bestimmt wird. Bei kapazi­ tiven Sensoren bestehen die Meßgeräte 2 und 3 im wesentlichen aus elektrisch lei­ tenden Elektroden, die mit dem ebenfalls elektrisch leitenden und rotierenden Bau­ element zwei Kondensatoren bilden. Bei einer induktiv arbeitenden Meßvorrichtung bestehen die Meßgeräte 2 und 3 aus jeweils einer Spule mit einem permanentmag­ netischen Kern bestehen und einem Zahnkranz aus einem ferromagnetischen Material, der auf dem rotierenden Bauelement angeordnet ist (hier nicht dargestellt). Die Signalausgänge 2S und 3S der beiden Meßgeräte 2 und 3 sind an den Mikropro­ zessor 4 angeschlossen. Der Mikroprozessor 4 ist so ausgebildet, daß mit seiner Hilfe aus den Signalen der beiden Meßgeräte 2 und 3 die Drehzahl eines rotierenden Bauelements 5 ermittelt werden kann. Bei dem Bauelement 5, das in Fig. 1 nur sche­ matisch dargestellt ist, handelt es sich um die Radachse eines Schienenfahrzeugs (hier nicht dargestellt), deren Drehzahl ermittelt werden soll. Hierfür ist die in Fig. 2 im Schnitt dargestellte Radachse 5 auf ihrer Oberfläche 5S in einem definierten Bereich 5U, der in Fig. 1 dargestellt ist, mit Abstandsänderungen 6 definierter Größe versehen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ab­ standsänderungen 6 als rechteckige, spitzwinkelige Dreiecke ausgebildet, die alle gleich groß sind. Diese Dreiecke 6 sind so auf der Oberfläche 5S der Radachse 5 an­ geordnet, daß sie radial nach außen weisende Zähne bilden. Die Dreiecke mit einer Dicke von ca. 2 cm sind alle in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Längs­ achse der Radachse 5 liegt. Die Dreiecke 6 sind so aufeinanderfolgend angeordnet, daß jeweils zwei benachbarte Dreiecke 6 aneinander grenzen. Die Dreiecke 6 sind zudem so auf der Oberfläche 5S der Radachse 5 angeordnet, daß sowohl der spitze als auch der rechte Winkel eines jeden Dreiecks 6 unmittelbar an die Oberfläche 55 der Radachse 5 angrenzt. Das erste Meßgerät 2 ist so angeordnet, daß seine Läng­ sachse während der Drehung der Radachse 5 auf einer Graden mit den Katheten 6K der Dreiecke 6 zu liegen kommt, die senkrecht zur Oberfläche 5S der Radachse 5 an­ geordnet sind. Der Abstand zwischen dem Meßgerät 2 und der Oberfläche 55 der Radachse 5 beträgt in den Punkten 6A und 6B am Anfang und am Ende eines jeden Dreiecks 6 d₀, wie an Hand von Fig. 3 zu sehen ist. Zwischen dem Anfang 6A und dem Ende 6B eines jeden Dreiecks 6 wird, wenn sich die Radachse 5 dreht, ein Ab­ stand d(t) zwischen der Hypotenuse 6P des Dreiecks 6 und dem Meßgerät 2 ge­ messen, der sich mit der Zeit ändert. Dieser Abstand ergibt sich aus folgender Glei­ chung: d(t) = d₀ - 2_*Π_*r_*t_*n_*h/s, wobei t der Zeitpunkt der Messung ist. In der Glei­ chung ist ohne Einschränkung der Gültigkeit der Zeitpunkt t=0 so definiert ist, daß sich das Meßgerät 2 genau dann über dem Anfangspunkt 6A des Dreieckes 6 befindet. In der Gleichung steht r für den Radius der Radachse 5, h für die Länge der ersten Kathete 6K der Dreiecke 6, die gleichzeitig der Höhe der Zähne 6 entspricht, s ist die Länge der zweiten Kathete 6M der Dreiecke 6, die gleich der Länge der Zähne 6 entspricht, und n steht für die Drehzahl der Radachse 5. Die Zeitabstände in denen gemessen wird, werden durch eine entsprechende Programmierung des Mikropro­ zessors 4 festgelegt, wobei der minimale Zeitabstand zwischen zwei Messungen nur durch die Wahl des Mikroprozessors und der Meßtechnik bestimmt ist. Ein Zahn 6 wird in der Zeit t = s/(2_*Π_*n_*r) an dem Meßgerät 2 vorbeibewegt. Um die Drehzahl­ messung der Radachse 5 zu veranschaulichen wird davon ausgegangen, daß bei­ spielsweise für die Abstandsmessungen zwischen dem Meßgerät 2 und der Radachse 5 eine Zeitintervall von 10 ms durch die Mikroprozessoreinstellung vorgegeben wird. Alle von dem Meßgerät 2 erzeugten Meßsignale werden von dem Mikroprozessor 4 erfaßt. Die hier dargestellte Radachse 5 wird vorzugsweise so aus­ gebildet, daß sie zwanzig Zähne 6 (hier nicht alle dargestellt) über den Umfang verteilt aufweist. Daraus ergibt sich für die Länge s eines Zahns 6 der Wert s = 2_*Π_*r/20. Von dem Meßgerät 2 wird zu den Meßzeitpunkten t₁ und t₂ der senkrechte Abstand d(t₁) und d(t₂) zu dem mit Zähnen 6 bestückten Bereich 5U der Radachse 5 ermittelt, wobei in dem gewählten Beispiel gilt, daß t₂-t₁ = 10 ms beträgt. Ändert sich beispielsweise zwischen den beiden Messungen der Abstand d(t₂)-d(t₁) um h/4, so hat die Radachse 5 im Augenblick der Messung eine Drehzahl n = 12,5 Umdrehun­ gen/s. Wird nach weiteren 10 ms ein Abstandsänderung von h/10 ermittelt, beträgt die Drehzahl der Radachse n = 5 Umdrehungen/s. Wie das Ausführungsbeispiel zeigt, ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, sehr kleine Drehzahlen eines rotierenden Bauelements zu messen.

Da bei dem Meßverfahren kontinuierliche Abstandsänderungen für die Drehzahlbe­ stimmung genutzt werden, müssen Vibrationen oder nicht von der Rotation der Rad­ achse 5 hervorgerufene Abstandsänderungen kompensiert werden. Dieses ist ins­ besondere dann erforderlich, wenn die Drehzahl einer Radachse gemessen wird, die zu einem Schienenfahrzeug gehört. Zu diesem Zweck ist das zweite Meßgerät 3 vor­ gesehen. Es ist in gleicher Weise angeordnet wie das erste Meßgerät 2. Der einzige Unterschied besteht darin, daß das zweite Meßgerät 3 über der Oberfläche 5S in einem Bereich 5G angeordnet ist, in dem keine für die Messung erforderlichen Abstandsänderungen 6 vorgesehen sind. Der Abstand zwischen beiden Meßgeräten 2 und 3 wird gerade so groß gewählt, daß diese Bedingung erfüllt ist. Mit dem zwei­ ten Meßgerät 3, wird der Abstand zur Achse in den gleichen Zeitintervallen gemessen wie die Abstände zu dem Bereich 5U. Das Signal, das aus der Differenz der beiden Meßsignale in dem Mikroprozessor 5 gebildet wird, wird zur Berechnung der Dreh­ zahl verwendet. Die ermittelte Drehzahl wird angezeigt. Auf das zweite Meßgerät 3 kann verzichtet werden, wenn die Messungen der Drehzahl nicht durch Vibrationen oder sonstige Störungen beeinflußt werden.

Für die Messung der Drehzahl ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die Radachse 5 im einem Bereich 5U mit senkrecht nach außen weisenden Zähnen 6 versehen wird. Wie an Hand von Fig. 4 zu sehen ist, sind solche Messungen auch dann durchführ­ bar, wenn die definierten Abstandsänderungen 6 im Bereich 5U durch einen exzen­ terförmig ausgebildeten Querschnitt der Radachse 5 bewirkt werden. Hiermit wird ebenfalls erreicht, daß sich der senkrecht Abstand zwischen dem Meßgerät 2 und der Oberfläche 5S der Radachse 5 während der Rotation derselben ständig ändert.

Claims (7)

1. Verfahren zum Messen der Drehzahl von rotierenden Bauelementen (5), dadurch gekennzeichnet, daß von einem festen Meßpunkt (2M) aus die senkrechten Abstände zu Abstandsänderungen (6) definierter Größe in einem definierten Bereich (5U) auf der Oberfläche (5S) des rotierenden Bauelements (5) gemessen werden, und daß aus den Meßsignalen, den geometrischen Abmessungen der Abstandsände­ rungen (6) und des rotierenden Bauelements (5) sowie der Zeitdifferenz (t) zwischen zwei Messungen die Drehzahl (n) des rotierenden Bauelements (5) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einem zwei­ ten festen Meßpunkt (3M) aus die senkrechten Abstände zu einem glatten Bereich (5G) der Oberfläche (5S) gleichzeitig mit den Messungen zwischen dem ersten Meß­ punkt (2M) und den Abstandsänderungen (6) zur Kompensation von Störungen durchgeführt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Gleichung d(t) = d₀-2_*Π_*n_*t r h/s die Drehzahl (n) des rotierenden Bau­ elements (5) berechnet wird, wobei d(t) die zeitliche Änderung des Abstands zwi­ schen dem ersten Meßpunkt (2M) und den Abstandsänderungen (6), r der Radius des rotierenden Bauelements (5), h die maximale Höhe der Abstandsänderungen (6), s die Länge der Abstandsänderungen (6) und t die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Messungen ist.

4. Vorrichtung zur Drehzahlmessung rotierender Bauelemente (5), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Meßgerät (2) zur Abstandsmessung über einem definierten Bereich (5U) des rotierenden Bauelements (5) installiert ist, innerhalb dessen Abstandsänderungen (6) definierter Größe angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (2) in einem Abstand (d₀) über einem Bereich (5U) der Oberfläche (5S) des rotie­ renden Bauelements (5), der mit Abstandsänderungen (6) definierter Größe versehen ist, fest installiert und sein Signalausgang (2S) an einen Signaleingang (4A) eines Mi­ kroprozessor (4) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Meßgerät (3) für die Abstandsmessung und in einem Abstand (d₀) über einem glatten Bereich (5G) der Oberfläche (5S) fest installiert und sein Signal­ ausgang (3S) ebenfalls an einen Signaleingang (4B) des Mikroprozessors (4) ange­ schlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, in dem Bereich (5U) auf der Oberfläche (5S) des rotierenden Bauelements (5) zahnförmige Abstandsänderungen (6) angeordnet sind, die als rechteckige, spitzwin­ kelige Dreiecke ausgebildet sind, und daß die Dreiecke (6) direkt aneinander grenzend radial nach außen weisend angeordnet und so auf der Oberfläche (5S) be­ festigt sind, daß die spitzen und die rechteckigen Winkel der Dreiecke (6) direkt an die Oberfläche (5S) angrenzen.