DE19804695C1 - Anordnung zum Messen des Drehmoments von rotierenden Maschinenteilen mit Hilfe einer auf dem rotierenden Maschinenteil angebrachten Dehnungsmeßbrücke und schleifringloser Meßwertübertragung - Google Patents

Description

Es sind Anordnungen dieser Art bekannt, bei denen die Meßwert­ übertragung schleifringlos durch induktive Übertragungsele­ mente erfolgt, beispielsweise durch zwei Drehübertrager, von denen der eine die Versorgungsspannung für die Rotorelektronik liefert und der andere für die Meßwertübertragung vorgesehen ist (Otto Limann, Elektronik ohne Ballast, 1981, Franzis Verlag GmbH, München, Seite 196, Torsionsmessung).

Abgesehen von dem damit verbundenen Aufwand an elektrischen und elektronischen Bauelementen sind einem solchen Übertragungssys­ tem mehrere Frequenzen immanent die u. a. Schwebungen verur­ sachen können, die das Meßergebnis beeinflussen oder durch zu­ sätzliche Schaltungsmaßnahmen eliminiert werden müssen.

Durch die DE 40 25 279 A1 ist eine Anordnung zum Messen des Drehmoments an der Abtriebswelle eines Stellantriebs bekannt, die einen auf der Abtriebswelle angebrachten Drehmomentsensor, einen eine rotor- und statorseitige Wicklung aufweisenden Übertra­ ger und eine Meßschaltung aufweist, die das Ausgangssignal des Drehmomentsensors in eine Impulsfolge umsetzt, deren Frequenz mit dem Betrag des Drehmoments zunimmt.

Die Synchronisierung eines statorseitigen Gleichspannungs­ wandlers und das dadurch erzielte Auftreten nur einer Frequenz ist in dieser Druckschrift nicht angesprochen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Messen des von rotierenden Maschinenteilen übertragenen Drehmo­ ments bei schleifringloser Meßwertübertragung zu schaffen, die mit einem Geringstmaß an schaltungstechnischem Aufwand eine zuverlässige und störungsfreie Meßwertübertragung ermöglicht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die rotorseitige Schaltungsanordnung in Blockdarstellung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der statorseitigen, mit ei­ nem Sperrwandler ausgerüsteten Schaltungsanord­ nung,

Fig. 3 einen anstelle eines Sperrwandlers in die Schal­ tungsanordnung gemäß Fig. 2 integrierten Durch­ flußwandler.

In Fig. 1 ist mit 10 ein rotierendes Maschinenteil in Form ei­ ner belasteten Welle bezeichnet, deren ein Maß für das an der Welle angreifende Drehmoment darstellende Torsion mittels ei­ ner an einem geeignet ausgebildeten Abschnitt der Welle ange­ brachten Dehnungsmeßbrücke 11 (Vollbrücke) gemessen wird. Die rotorseitige Elektronik weist einen Meßwertverstärker 12 für das am Ausgang der Meßbrücke jeweils anstehende Signal ΔU auf, dem ein Spannungs-Frequenzwandler 13 nachgeschaltet ist, der das verstärkte Meßsignal in eine Rechteck-Wechselspannung (Frequenzsignal) umwandelt. Die Frequenz liegt dabei vorzugs­ weise im Bereich zwischen 60 und 140 kHz.

Mittels eines dem Spannungs-Frequenzwandler 13 nachgeordneten Impulsformers 14 werden aus der Rechteck-Wechselspannung kurze Impulse mit einem Tastverhältnis von vorzugsweise 1 : 50 erzeugt, die als Synchronisierimpulse für einen in Fig. 2 mit 15 bezeichneten DC-DC-Sperrwandler benutzt werden. Das heißt, der Sperrwandler 15 wird mit der Signalfrequenz synchro­ nisiert.

Die kurzen Meßimpulse werden der Sekundärwicklung 16" eines Drehübertragers 16 zugeführt und über dessen Primärwicklung 16' in den Statorstromkreis zur Messung bzw. Auswertung über­ tragen. Die sekundärseitige, transformatorisch in den Rotor­ stromkreis eingekoppelte Gleichrichterdiode 17 des DC-DC-Sperr­ wandlers wird dabei über eine Ansteuerung für den Synchroni­ sierimpuls überbrückt. Dies geschieht während der Schaltpause des Sperrwandlers 15 durch den gesteuerten Transistor 17'. Die Versorgungsspannung für die rotorseitige Elektronik wird über die Sekundärwicklung 16" des Drehübertragers eingespeist und mittels des zu diesem Zeitpunkt nicht überbrückten Gleich­ richters 17 gleichgerichtet. Ein an den Gleichrichter 17 ange­ schlossener Spannungsregler 18 stabilisiert die Versorgungs­ spannungen des Spannungs-Frequenzwandlers 13, des Meßwertver­ stärkers 12 und der Dehnungsmeßbrücke 11 (U_R). An den Ausgang des Gleichrichters 17 ist ein Tiefpass 19 angeschlossen, dem ein Gleichrichter 20 nachgeschaltet ist, der die Betätigungs­ spannung für einen Kontrollschalter 21 liefert, der einen Wider­ stand 22 auf die Dehnungsmeßbrücke 11 aufschaltet bzw. an den Eingang des Meßwertverstärkers 12 legt, der eine dem Nenndreh­ moment entsprechende Brückenverstimmung erzeugt. Der Gleichrichter 20 richtet die im Kontrollfall aufmodulierte, den Tiefpass 19 passierende niederfrequente Spannung, z. B. 500 Hz, gleich.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird die Versorgungsspannung für die Statorelektronik, z. B. im Bereich zwischen 10 und 30 V DC, statorseitig über ein Eingangsfilter 23 in Verbindung mit einem Verpolschutz (EMV-Filter und Seriendiode) der Wicklung 24 des Sperrwandlers 15 zugeführt, die mit einem MOS-Feldeffekt­ transistor 25 in Reihe liegt, der den Stromfluß über einen als Energie-Zwischenspeicher dienenden Kondensator 26 steuert. Die bei gesperrtem MOSFET 25 in den Wicklungen des Sperrwandlers 15 auftretenden Rückschlagspannungen erzeugen in bekannter Weise durch Energieabbau die gewünschten Ausgangsspannungen ±12 V an den Wicklungen 27 und 27' des Sperrwandlers 15, deren An­ fänge gekennzeichnet sind.

Die Ansteuerung des Sperrwandlers 15 mit den in die Primär­ wicklung 16' des Drehübertragers 16 eingespeisten Meßsignalim­ pulsen (Synchronisierimpulse) erfolgt mittels eines IC-Bau­ steins 28, (z. B. LT 1243), an dessen Eingang die Primärwick­ lung 16' des Drehübertragers über einen Gleichrichter 29 mit an dessen Ausgang liegendem Kondensator 30 angeschlossen ist. Der Kondensator 30 übt dabei eine Siebfunktion aus. Am Ausgang des IC-Bausteins 28 liegt die Basis (gate) des MOS­ FET 25. Den zu steuernden Strom liefert, wie bereits erwähnt, der Kondensator 26.

Die Schaltfrequenz des mit seiner Wicklung 31 leitend mit der Primärwicklung 16' des Drehübertragers verbundenen Sperrwand­ lers 15 ist variabel. Wesentlich ist, daß die Synchronisierim­ pulse zeitlich dazwischen passen.

Die über die Sekundärwicklung 16" des Drehübertragers in des­ sen Primärwicklung 16' übertragenen Meßsignalimpulse werden durch einen Impulsformer 32 jeweils in der Zeit nach der Ener­ gieübertragung, das heißt, während der Ruhephase des Sperrwand­ lers 15, aus der Primärwicklung des Drehübertragers herausge­ filtert und als Synchronisierimpulse dem Baustein 28 zugeführt. Am Fußpunkt der Wicklung 31 des Sperrwandlers bzw. der Pri­ märwicklung des Drehübertragers während der Wandlungsphase Energieübertragung-Energiespeicherung anstehende Impulse wer­ den mittels eines am Ausgang des IC-Bausteins 28 liegenden und von diesem gesteuerten Bauelements 33, z. B. in Form eines Transistors, unterdrückt.

Die Meßsignalimpulse werden in einem Frequenz-Spannungswandler 34 in Gleichspannung umgeformt, dessen Restwelligkeit durch einen Tiefpass 35 eliminiert wird. Die so erhaltene Gleich­ spannung steht nach Verstärkung in einem Verstärker 36 als Ausgangssignal U_a, z. B. ±5 V, an.

Die Kontrolle der Schaltunganordnung erfolgt mit Hilfe eines Opto-Kopplers 37, der einen Frequenzteiler 38 aktiviert, der die Signalfrequenz beispielsweise im Verhältnis 200 : 1 teilt. Mit dieser Frequenz wird die Amplitudenregelung des Sperr­ wandlers 15 moduliert.

Bei einem alternativ zum Sperrwandler 15 verwendeten Durch­ flußwandler 39 ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, der in Reihe mit dem MOSFET 25 liegenden Wicklung 24 eine mit einem Gleichrichter 41 in Reihe geschaltete Wicklung 42 induktiv zugeordnet, in der bei gesperrtem Feldeffekttransistor eine Spannung induziert wird, die den Zwischenspeicher-Kondensator 26 speist. Die in den sekundärseitigen Wicklungen 27, 27' angeord­ neten Querdioden 43, 43' werden über die mit diesen in Reihe liegenden, energiespeichernden Drosselspulen 44, 44' in der Sperrphase des MOSFET 25 in den leitenden Zustand versetzt.

Ein wesentlicher Vorteil der Anordnung nach der Erfindung be­ steht darin, daß im ganzen Meß- und Übertragungssystem lediglich eine Leitfrequenz in Form der Signalfrequenz vorhanden ist.

Claims (6)

1. Anordnung zum Messen des von rotierenden Maschinenteilen übertragenen Drehmoments mit einer auf dem rotierenden Maschinenteil (10) angebrachten Dehnungsmeßbrücke (11), wobei mittels der rotorseitigen Elektronik das von der Dehnungsmeßbrücke abgegebene Meßsignal in ein frequenz­ kodiertes Signal umgewandelt wird, mit einem Drehüber­ trager (16) mit einer Primär- und einer Sekundärspule (16', 16") zur schleifringlosen Spannungsversorgung der rotorseitigen Elektronik und zur Übertragung des dreh­ momentabhängigen frequenzkodierten Signals auf die stator­ seitige Auswerteelektronik, wobei ein statorseitiger Gleichspannungswandler (15, 39) mittels des frequenzko­ dierten Signals synchronisiert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungswandler als DC-DC-Sperrwandler (15) ausge­ bildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungswandler durch einen Durchflußwandler (39) verkörpert ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundärseitige Gleichrichter (17) der Gleichspannungswandler (15, 39) durch einen sekundär­ seitigen Transistor (17') für den Synchronisierimpuls über­ brückt wird.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal in der Zeit nach der Energieübertragung mittels eines Impulsformers (32) aus der Primärwicklung (16') des Drehübertragers herausgefil­ tert wird.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ganzen Meßsystemkreis die Signal­ frequenz als Leitfrequenz dient.