DE19747073A1

DE19747073A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von zeitlichen Zustandsänderungen

Info

Publication number: DE19747073A1
Application number: DE1997147073
Authority: DE
Inventors: Georg Prof Dr Ing Unland; Viktor Dr Ing Raaz; Jan Dipl Ing Hollaender
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 1999-04-29

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung werden beispielsweise bei der Bestimmung von Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsänderungen von Bewegungsabläufen angewandt, wo eine höhere Genauigkeit mit gleichzeitiger höherer zeitlicher Auflösung der Bewegungsänderungen verlangt wird.

Stand der Technik

Den Stand der Technik stellt ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung zur Drehzahlmessung mittels einer photoelektrischen Abtastung einer umlaufenden Loch- bzw. Schlitzscheibe dar. Der Aufnehmer erzeugt je Umdrehung mindestens einen Impuls bzw. ein periodisches Signal, welches die Geometrie der Schlitzscheibe, als auch den Geschwindigkeitsverlauf widerspiegelt. Durch die Bestimmung von Zeitintervallen für eine "positive" und (oder) eine "negative" Flanke von Impulsen bzw. von periodischen Signalen läßt sich bei bekannten Gitterkonstanten eine mittlere Geschwindigkeit berechnen. Die Flanken werden beim Passieren des entsprechenden Schlitzes und (oder) Steges am Aufnehmer erfaßt [1].

Die Genauigkeit der Geschwindigkeits- oder Beschleunigungs änderungsermittlung dieses schon bekannten Meßverfahrens hängt hauptsächlich von der Fertigungs- und Montagetoleranz des Gitters (Loch- bzw. Schlitzscheibe) ab. Weiterhin ist die zeitliche Auflösung der Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsänderungsermittlung technolo gisch durch die Gitterdichte und die Sensoren begrenzt.

Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung entsprechend dem Gattungsbegriff des Anspruches 4 zur Bestimmung von zeitlichen Zustandsänderungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart weiterzuentwickeln, daß trotz Fertigungs- und Montagetoleranzen des Gitters die Geschwindigkeit bzw. Geschwindigkeitsänderung mit höherer Genauigkeit und mit höherer zeitlicher Auflösung bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, in dem in einer Kalibrierphase (ohne äußere Einflüsse) die realen (toleranzbehafteten) Gitterabstände und der Geschwindigkeitsverlauf mathematisch bestimmt sowie während einer Meßphase (mit äußeren Einflüssen) die Geschwindigkeitsverlaufsänderung individuell (jedem Schlitz bzw. Steg entsprechend) abgeleitet werden.

Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 4 gelöst, indem ein Gerät zum Messen von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zwischen gleichen Aktivierungs referenzzuständen der Meßstelle sowie ein Computer zur rechnerischen Bestimmung von zeitlichen Zustandsänderungen anhand der Meßdaten in die Vorrichtung eingeschlossen sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich der Bewegungsablauf mit höherer Genauigkeit und Auflösung bestimmen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und der Zeichnungen näher erläutert:

Ausführungsbeispiele

Die in den Zeichnungen dargestellten rotierenden Vorrichtungen erfahren durch Einwirkungen von äußeren Kräften Bewegungsänderungen. Das kann eine stationäre Maschine sein, wie z. B. eine Zerkleinerungsmaschine (Bild 1), die aus Zerkleinerungsorganen 1 mit einem Antrieb 2 besteht. Durch Zuführung des Gutes 3 werden die Zerkleinerungsorgane 1 beansprucht, so daß es zu einer Geschwindigkeitsänderung der rotierenden Teile kommt.

Ein weiteres Beispiel (Bild 2) kann eine bewegte Maschine 1 (z. B. Auto) sein, wo durch Änderung der Kraftverhältnisse an den Bewegungsorganen 4 eine Geschwindigkeitsänderung der Maschine auftritt.

Die Bestimmung der Geschwindigkeit bzw. des Geschwindigkeitsverlaufes läßt Rückschlüsse z. B. auf angreifende Kräfte und Momente, Leistung und Arbeit zeitabhängig zu. Hierzu wird an dem zu vermessenden rotierenden Maschinenteil 4 eine Schlitzscheibe 5, die am Umfang aus sich abwechselnden Nuten 6 und Stegen 7 besteht, verdrehfrei befestigt. Mit Hilfe eines aktiven oder passiven Sensors 8 (z. B. Lichtschranke) wird die Feldänderung, die durch die sich drehende Schlitzscheibe 5 verursacht wird, registriert. Das dabei aufgenommene Aktivierungssignal 9 (Bild 3) besteht aus periodischen Signaländerungen, z. B. sinusförmige, rechteckförmige, sägezahnförmige Kurven. Zur Auswertung dieses Aktivierungsverlaufes 9 müssen charakteristische Durchgänge 10 bei definierten Aktivierungsreferenzzuständen 11 erkannt werden, um die dazwischenliegenden Zeitintervalle 12a bzw. 12b zu messen.

In jeder Umdrehung ist jeder charakteristische Durchgang eindeutig identifizierbar, da die Anzahl der Schlitze in der Schlitzscheibe bekannt ist. Aus gemessenen Zeitintervallen zwischen aufeinanderfolgenden charakteristischen Durchgängen werden reale (toleranzbehaftete) Schlitz- und Stegbreiten sowie der Geschwindigkeitsverlauf in der Kalibrierphase - in der Regel der Leerlauf der Maschine - im allgemeinen Fall bestimmt. Dazu dient zum Beispiel für ein elastisch verbundenes Mehrmassensystem in einem reibungsbehafteten Medium bei Leerlauf mit abgekoppeltem Antrieb ein Polynomansatz:

wobei gilt:
Winkelgeschwindigkeit der Rotorwelle zum Zeitpunkt t
₀ Anfangswinkelgeschwindigkeit der Rotorwelle unmittelbar zu Beginn der Referenzumdrehungen
a_j, _dj, ϕ_dj Koeffizienten des j-ten trigonometrischen Polynomgliedes
δ Koeffizient
t Zeit
j Index der trigonometrischen Polynomglieder
n Anzahl der trigonometrischen Polynomglieder.

Der Polynomansatz besteht nur aus trigonometrischen Gliedern im Fall einer periodisch schwingenden Bewegung, aus einer Konstanten im Fall einer stationären Bewegung und aus exponentiellen und trigonometrischen Gliedern im Fall einer verzögerten oder beschleunigten Bewegung. Die Anzahl z der Umdrehungen in der Kalibrierphase wird bestimmt durch eine zulässige Abweichung zwischen den gemessenen Zeiten von Umdrehungen charakteristischer Punkte und den gerechneten Zeiten des approximierten Geschwindigkeitsverlaufes charakteristischer Punkte. Die Anzahl n der trigonometrischen Polynomglieder wird begrenzt durch die zulässige Anzahl k der Unbekannten des Polynomansatzes und der Anzahl c der charakteristischen Durchgänge je Umdrehung. Dazu gilt folgende Beziehung:

Die zulässige Anzahl k der Unbekannten des Polynomansatzes ist abhängig von der Anzahl c der charakteristischen Durchgänge je Umdrehung und der Anzahl z der Umdrehungen. Dazu gilt folgende Beziehung:

k=c×z.

In der Meßphase - in der Regel die Betriebsphase der Maschine - werden die Zeiten zwischen den charakteristischen Durchgängen gemessen. Durch die fortschreitende Bestimmung der gemessenen Zeitintervalle zwischen den charakteristischen Durchgängen mit den berechneten Zeitintervallen dieser charakteristischen Durchgänge aus der Kalibrierphase errechnet sich der Geschwindigkeitsverlauf. Durch die Kenntnis der geometrischen Verhältnisse, Massen und Trägheitsmomente bestimmt sich daraus der zeitliche Kraft- und Momentenverlauf.

Um eine zeitliche Auflösung der Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsänderungsermittlung innerhalb des Schlitz- bzw. Stegpassierens gewährleisten zu können, ist es notwendig, daß mehrere Aktivierungsreferenzzustände zur Erkennung der charakteristischen Durchgänge definiert sind und dabei die Meßstelle bei einer konstanten Geschwindigkeit eine ständig ändernde, periodisch wiederholende Aktivierung (z. B. sinusförmige, sägezahnförmige Kurven) aufweist.

Zur Verdeutlichung dieser Meßmethode werden im Bild 4 sinusförmige Aktivierungsverläufe der Meßstelle für unterschiedliche Geschwindigkeitsänderungen des rotierenden Maschinenteiles 4 dargestellt. Es werden Aktivierungsverläufe (U1 bis U4) für einen gleichmäßigen (w1), einen gleichmäßig beschleunigten (w2), einen gleichmäßig verzögerten (w3) sowie ein einen periodisch schwankenden (w4) Geschwindigkeitsverlauf aufgezeigt.

Im Bild 5 sind Aktivierungsverläufe für eine konstante und für eine periodisch schwankende Geschwindigkeit des rotierenden Maschinenteiles 4 während des Passierens einer Nut 6 und eines Steges 7 gegenübergestellt. Um die Geschwindigkeitsänderung des rotierenden Maschinenteiles 4 innerhalb der Nut 6 und des Steges 7 ermitteln zu können, werden für den betreffenden Aktivierungsverlauf mehrere Aktivierungsniveaus (im Bild 5 deren 7) definiert und die Zeitintervalle zwischen den Schnittpunkten (im Bild 5 sind dies die Intervalle t₁ bis t₁₄) gemessen.

Anhand dieser gemessenen Intervalle läßt sich die Geschwindigkeitsänderung des rotierenden Maschinenteiles 4 innerhalb der Nut 6 und des Steges 7 ableiten. Die zeitliche Auflösung dieser Meßmethode hängt von der Anzahl und der Anordnung der Aktivierungsniveaus sowie von der Form des Aktivierungsverlaufes ab.

Ein drittes Beispiel (Bild 6) zeigt eine Anwendung in der Astronomie und Geophysik. Durch Einwirkung von äußeren Kräften (Meteoriten, Näherung der Planeten, usw.) erfolgen einige Rotationsschwingungen der Kruste 1 eines Planeten um seinen Kern 2. Als Gitter dienen die Fixsterne 3, deren Positionen sich während der Meßzeit nicht ändern. Als Meßstelle dient ein Observatorium 4, das mit der Kruste 1 des Planeten fest verbunden ist und dessen Aktivierungszustand von den Winkellagen ϕ_i der Fixsterne 3 zur Meßstelle abhängig ist.

Die Winkelabstände der Fixsterne sowie der Rotationsablauf der Kruste 1 des Planeten werden in einer Kalibrierphase durch die Messung der Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden charakteristischen Winkel lagen ϕ_i der Fixsterne 3 zum Observatorium 4 mathematisch bestimmt und die Änderung des Geschwindigkeitsverlaufes während einer Meßphase berechnet.

Literatur

1. Schrüfer E. Lexikon Meß- und Automatisierungstechnik. VDI-Verlag, Düsseldorf 1992.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung von zeitlichen Zustandsänderungen durch Messung von Zeitintervallen zwischen gleichen Aktivierungsreferenzzuständen einer Meßstelle, die durch relative Zustandslage zur Ordnung mit definierten Zuständen unterschiedlich stark aktiviert wird, gekennzeichnet durch eine rechnerische Bestimmung der Ordnungszustandswerte und eines zeitlichen Zustandsänderungsablaufes in der Kalibrierphase (ohne äußere Einflüsse) sowie durch eine nachfolgende Ermittlung von zeitlichen Zustandsänderungen in einer Meßphase (mit äußeren Einflüssen) basierend auf den in der Kalibrierphase ermittelten Ordnungszustandswerten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Zustandsänderungsablauf durch einen Polynomansatz mathematisch in der Kalibrierphase bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Polynomglieder begrenzt wird durch die zugelassene Abweichung zwischen berechneten und gemessenen Werten während der Kalibrierphase.

4. Vorrichtung zur Bestimmung der zeitlichen Zustandsänderung, die aus einer Meßstelle und einer Ordnung mit definierten Zuständen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vorrichtung ein Gerät zum Messen von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen zwischen gleichen Aktivierungsreferenzzuständen der Meßstelle sowie ein Computer zur rechnerischen Bestimmung von zeitlichen Zustandsänderungen anhand der Meßdaten eingeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstelle bei einer konstanten Zustandsänderung eine ständig ändernde, periodisch wiederholende Aktivierung aufweist und daß für die Meßstelle mehrere Aktivierungsreferenzzustände oder für mehrere Meßstellen ein oder mehrere Aktivierungsreferenzzustände definiert sind.