DE19917626A1 - Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes, insbesondere bei Wellenausgleichs- oder Überlastkupplungen - Google Patents

Abstract

Eine Einrichtung zum Messen von Drehmomenten an einer drehbaren Welle ist vorgesehen, mit der sehr kurze vorübergehende Überlastzustände erfaßt werden können. Die Einrichtung weist eine Rotoranordnung auf der drehenden Welle und eine Statoranordnung auf, die von der drehenden Welle beabstandet angeordnet sind. Dabei weist die Rotoranordnung einen Sensor zum Erzeugen eines Analogsignals, das das Drehmoment anzeigt, einen Analog/Digital-Umsetzer, mit dem das Analogsignal digitalisierbar ist, und eine Übertragungseinrichtung auf, die das digitale Signal zur Statoranordnung sendet, und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoranordnung eine Pegelerfassungsschaltung aufweist, die so angeschlossen ist, daß sie das Analogsignal überwachen und ein zweites Signal abgeben kann, wenn das Analogsignal einen Schwellwert erreicht, wobei die Pegelerfassungsschaltung an die Übertragungseinrichtung angeschlossen ist, um an die Statoranordnung ein zweites Signal zu senden, das anzeigt, daß der Schwellwert erreicht ist, und wobei die Statoranordnung einen Empfänger zum Erfassen des Vorliegens des zweiten Signals aufweist. Auch ist vorgesehen, daß die Rotoranordnung eine Einrichtung aufweisen kann, mit der eine Schrittfolge zum selbsttätigen Einstellen des Nullwerts des Sensors oder des Verstärkungsfaktors oder anderer sensorbezogener Parameter ausführbar ist, und daß eine Schalteinrichtung vorgesehen werden kann, mit der Unterbrechungen der aus der Statoranordnung erfolgenden ...

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das kontaktlose Messen von Drehmomen­ ten oder Übertragungsleistungen an drehenden Wellen innerhalb diverser Wellenverbindungen zur Koppelung eines Motors mit einer Last. Die Dreh­ moment- bzw. Leistungsmessung wird direkt an einer vorhandenen Kom­ ponente dieser Wellenverbindung durchgeführt. Die Erfindung betrifft weiter­ hin eine Koppeleinrichtung, die zum Zweck solcher Messungen in eine Welle zwischen einem Motor und eine Last einfügbar ist, also beispielsweise bei Wellenausgleichskupplungsn oder Überlastkupplungen oder dergleichen.

Stand der Technik

Aus der DE 197 19 921 A1 ist das Messen des Drehmoments einer drehen­ den Welle mittels eines Transponders bekannt, der sich in einem auf der Welle montierten Flansch befindet. Der Transponder besteht aus einem Dehnungsmeßstreifen in herkömmlicher Brückenschaltung, der die Welle überwacht. Er ist seinerseits an einen Eingangsverstärker, einen Analog/Digital-Umsetzer und einen Telemetriesender angeschlossen. Der Telemetriesender sendet ein dem gemessenen Drehmoment entsprechendes digitales Signal an einen Aufnehmer (Pick-up), der nahe der drehenden Welle angeordnet und an eine Statorelektronik angeschlossen ist, die das Signal bearbeitet, um die gewünschten Meßwerte abzuleiten. Die genannte Druckschrift offenbart auch eine Anordnung, mit der Daten in der anderen Richtung, d. h. vom Stator zum Rotor übertragbar sind, um den Null­ punkt der Meßbrücke sowie den Verstärkungsfaktor des Meßverstärkers für den Dehnungsmeßstreifen einzustellen. Die DE 197 19 921 A1 nimmt Bezug auf die DE 39 22 556 C3, aus der ersichtlich ist, daß die Statorelektronik von einem Trägersignal gespeist wird, das der Aufnehmer aussendet. Die Übertragung der Daten zum Aufnehmer erfolgt durch die sogen. "Absorptionsmodulation". Beider Absorptionsmodulation wird die Empfängerschaltung von dem Träger gespeist, den ein Sender im Aufnehmer aussendet, während Daten vom Empfänger zurück zum Aufnehmer gesendet werden, indem man im Empfänger diesen Träger intermittierend belastet oder entlastet. Die Laständerungen werden am Sender als Modulation erfaßt. Auf diese Weise überträgt der Aufnehmer Leistung an die Statorelektronik und detektiert von dieser ausgehende Signale.

Die Anordnungen nach diesem Stand der Technik zum kontinuierlichen Messen von Drehmomenten oder Übertragungsleistungen einer Welle arbeiten im allgemeinen zufriedenstellend und verhältnismäßig genau. Die Genauigkeit hängt von der Anzahl der Bits im Wort des digitalen Signals ab. Drehmomentmessungen lassen sich zur Prozeßkontrolle, zur Steigerung der Maschinenauslastung oder zur Erkennung von Überlastzuständen verwen­ den. Im Falle der Überlasterkennung ist eine extrem schnelle Ansprechzeit des Meßsystems erforderlich, um zum einen hochfrequente dynamische Spitzen zu erkennen, zum anderen jedoch den Drehmomentanstieg bei Blockade eines Antriebsstranges bis zum Abschalten (Bremsen) bzw. Trennen des Antriebsstranges möglichst gering zu halten.

Bei sehr hoher Dynamik des Antriebsstranges bzw. hohen nachlaufenden Massen, die von der Blockierstelle nicht getrennt werden können, ist auf den zusätzlichen Einsatz einer mechanischen Überlastkupplung nicht zu ver­ zichten. In diesen Fällen müssen die Digitalschaltungen in der Rotorelektro­ nik mit einer Abtastrate arbeiten, die viel höher ist als für die Drehmoment­ messungen im Betrieb im eingeschwungenen Zustand nötig. Dadurch wird die Konstruktion unnötig kompliziert. Es bedeutet auch, daß sich ein für die Messung im eingeschwungenen Zustand ausgelegtes System nicht pro­ blemlos auf die Erkennung hochdynamischer Signale erweitern läßt, ohne die gesamte Elektronik auf das Arbeiten bei höheren Frequenzen aufzurüsten.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung anzugeben, mit der Drehmomente im eingeschwungenen Zustand genau meßbar sind, die aber auch auf hochfrequente Signale mit kurzzeitigen Überlastzuständen innerhalb kürzester Zeit anspricht.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung zum Messen von Drehmomenten an einer drehenden Welle vorgesehen, die eine Rotoranordnung auf der drehen­ den Welle und eine Statoranordnung aufweist, die von der drehenden Welle beabstandet angeordnet ist. Dabei weist die Rotoranordnung

• a) einen Sensor zum Erzeugen eines Analogsignals, das das Drehmoment anzeigt,
• b) einen Analog/Digital-Umsetzer, mit dem das Analogsignal digitalisierbar ist, und
• c) eine Übertragungseinrichtung auf, die das digitale Signal zur Statoran­ ordnung sendet, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoranordnung eine Pegelerfassungsschaltung aufweist, die so angeschlossen ist, daß sie das Analogsignal überwachen und ein zweites Signal abgeben kann, wenn das Analogsignal einen Schwellwert erreicht, wobei die Pegelerfassungsschaltung an die Übertragungseinrichtung angeschlossen ist, um an die Statoranordnung ein zweites Signal zu senden, das anzeigt, daß der Schwellwert erreicht ist, und wobei die Statoranordnung einen Empfänger zum Erfassen des Vorliegen des des zweiten Signals aufweist.

Bei dieser Anordnung lassen sich unter normalen Arbeitsbedingungen genaue Drehmoment- bzw. Leistungsmessungen über den Analog/Digital- Umsetzer und die Übertragung des Digitalsignals vom Rotor zum Stator durchführen. Die Abtastfrequenz kann trotz hoher Genauigkeit, geringer Nullpunktdrift und hoher Linearität verhältnismäßig niedrig bleiben. Die Erfassung von vorübergehenden Überlastzuständen (kurzen Drehmoment­ spitzen) erfolgt auf einem zweiten Pfad, der einen Analogkomparator aufweist, der das Analog-Ausgangssignal des Verstärkers des Dehnungsmeß­ streifens direkt überwacht. Es braucht daher nicht ein Arbeitszyklus des Analog/Digital-Umsetzers abgewartet zu werden, bevor ein Überlastzustand erfaßt wird. Es hat sich in der Praxis auch herausgestellt, daß in bestimmten Fertigungsprozessen - bspw. bei der Handhabung von Kunststoffen - die vorübergehenden Überlastzustände so kurz sein können, daß sie vollständig zwischen den Abtastzeitpunkten des Analog/Digital-Umsetzers liegen und daher von der Digitalschaltung überhaupt nicht erfaßt werden. Diese Überlastzustände können jedoch ein mechanisches Versagen verursachen, falls auf sie nicht mit geeigneten Maßnahmen reagiert wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Anordnung ist, daß die zum Erfassen des Überlastzustands erforderlichen zusätzlichen Schaltungsteile sich einer vorhandenen Rotorelektronik problemlos hinzufügen lassen. Dies kann ohne Störung der digitalen Schaltung erfolgen, so daß vorhandene Anlagen sich um- und auf einen zusätzlichen Überlastschutz aufrüsten lassen.

Die Übertragung des Digitalsignals erfolgt typischerweise unter Benutzung des seriellen RS232-Protokolls, so daß statorseitig bei minimalem zusätzlichem Schaltungsbedarf ein PC verwendet werden kann. Dabei ist auch vorteilhaft, daß sich zum Konfigurieren und Abgleich erforderlichenfalls ein PC rotorseitig anschließen läßt. Die Übertragung des Digitalsignals erfolgt zum Beispiel unter Anschalten einer Last - bspw. eines spannungs­ gesteuerten Widerstands - an bzw. über die Rotorspulen vorzugsweise stromabwärts der Gleichrichterschaltung der Betriebsstromversorgung für die Rotorelektronik. Das zweite Signal läßt sich auf ähnliche Weise - bspw. eine höhere als die übliche Last oder eine andere Frequenz - anlegen. Bevorzugt legt man das zweite Signal an, indem man die Modulationstiefe durch Parallelschalten eines zusätzlichen steuerbaren Widerstands zur Rotorspule erhöht. Die dadurch verursachte Zunahme des statorseitigen Energieverbrauchs wird sofort erfaßt und zeigt an, daß ein Drehmoment- Schwellwert erreicht worden ist.

Statorseitig kann die Erfassung eines Überlastsignals (dyn. Überschwingen) dazu dienen, den Motor stillzusetzen bzw. das entsprechende Antriebsmo­ ment zu reduzieren. In diesem Zusammenhang kann es erwünscht sein, nach Reduzieren des Antriebsmoments unter einen zweiten Schwellwert den oberen Schwellwert (Überlast) zurückzusetzen, um weitere Spitzen zu detektieren und darauf zu reagieren. Die Differenz zwischen dem Überlast- und dem Rücksetzschwellwert ist die Hysterese des Überlasterkennungs­ systems. Diese Hysterese kann auf herkömmliche Weise durch eine Rückführung um den Komparatorverstärker herum oder durch Überwachen des Digitalsignals und Rücksetzen eines RS-Flipflops erzeugt werden, das der Komparator setzt. Alternativ kann das den Überlastzustand angebende Signal, d. h. das zweite Signal, einfach für eine vorbestimmt Dauer nach dem Erfassen eines Überlastzustands vorgehalten werden. Das Rücksetzen eines Überlastzustands kann unter der Kontrolle der Statorelektronik erfolgen. In diesem Fall wird der Überlastzustand zunächst durch das Vorliegen des zweiten Signals angezeigt und beendet, sobald das Drehmoment unter den zweiten Schwellwert abgefallen ist, wie es die Statorelektronik über den Digitalkanal registriert.

Der Schwellwert kann mit Festwiderständen beim Bau der Rotoreinheit auf einen festen Wert eingestellt werden. Alternativ kann er mittels eines pro­ grammierbaren Widerstandsnetzwerks bestimmt werden. Die Programmie­ rung kann während einer speziellen Einricht- und Abgleichprozedur erfolgen, bevor der Rotor in Dienst gestellt wird. Das programmierbare Widerstands­ netzwerk kann mittels eines Mikroprozessors angesteuert werden, der Teil der Rotorelektronik ist.

Die vollkommene Integration des Drehmoment-Meßsystems in Maschinen­ elemente, wie Wellenausgleichskupplung bzw., Überlastkupplungen etc., ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung.

Solche Maschinenelemente sind in sehr vielen Antriebssträngen vorhanden, und somit wäre eine problemlose Integration eines solchen Meßsystems, ohne zusätzliche Modifikationen, in den betreffenden Antrieben möglich:

• 1. Integration des Meßsystems in Wellenausgleichkupplungen
  • - Drehstarre, biegeweiche Kupplungen, im besonderen Ringscheiben-, Laschen- oder Balgkupplungen
  • - Drehelastische, biegeweiche Kupplungen, im besonderen Elastomer­ kupplungen.
• 2. Integration in Überlastkupplungen
  • - Formschlüssige Überlastkupplungen für exakte Ausrastmomente und synchrone Zuschaltung
  • - Reibschlüssige Überlastkupplungen zur Beschleunigung von Massen­ trägheiten und bei reduzierten Anforderungen an das Überlastmoment.
• 3. Integration in eine regelbare Überlastkupplung (hydraulisch, pneumatisch, elektrisch), wobei das eingestellte Ausrastmoment den Drehmo­ mentverhältnissen (gemessen über das Meßsystem) ständig angepaßt werden kann. Gesteuert über einen Mikroprozessor können prozeßbedingte Drehmomentanstiege von Fehlanwendungen (Blockage) unterschieden werden.
• 4. Kombination aller 3 Systeme miteinander
  • - Überlastkupplung um Fehlanwendungen abzusichern; bei Verwendung von regelbaren Überlastkupplungen können Anlagen in ihrer Leistungs­ fähigkeit optimiert weden.
  • - Wellenausgleichskupplung um vorhandene Wellenversätze auszu­ gleichen, die durch die Schnittstelle zur Überlastkupplung entstehen.
  • - Md-Meßsystem zur Prozeßkontrolle und zur Regelung der mechanischen Überlastkupplung.

Das Ziel aller dieser Anordnungen ist die Steigerung der Produktivität, und zwar ohne Verlust an Sicherheit, insbesondere durch den Einsatz einer geregelten Überlastkupplung.

Bei einer biegeelastischen, drehsteifen Ganzstahlkupplung der Fig. 1 müßte lediglich die Zwischenhülse durch eine speziell applizierte Drehmomentmeß­ hülse ersetzt werden, ansonsten könnte der komplette Aufbau unverändert bleiben. Ein Beispiel einer solchen Anwendung in Gestalt einer Überlast­ kupplung ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt.

Bei der Integration des Meßsystems in Überlastkupplungen (regelbar und nicht regelbar) existiert neben einer permanenten Prozeßüberwachung auch ein Schutz vor sehr großen nachlaufenden Massen, die im Falle einer Überlast nicht oder zu spät vom Antriebsstrange getrennt werden können. Die Kombi­ nation mit regelbaren Überlastkupplungen ermöglicht die permanente Nachführung des Ausrastmomentes. Gleichzeitig kann hierdurch in vielen Fällen unterschieden werden zwischen prozeßbedingten und überlastbe­ dingten Drehmomentanstiegen und somit Überlastfälle bei einem Drehmo­ mentniveau kleiner 100% erkannt weden, bei prozeßbedingten Anstiegen jedoch auch kurzzeitig Drehmomente über 100% zugelassen werden. Dies führt bei idealer Maschinensicherheit zu einer drastischen Steigerung der Maschinenausnutzung (Produktivitätssteigerung).

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Eine mechanische Kupplung mit einer Einrichtung zum Messen von Drehmo­ ment nach der vorliegenden Erfindung soll nun anhand eines Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt ein in eine Wellenausgleichkupplung integriertes Drehmo­ ment-Meßsystem in einer Perspektivdarstellung;

Fig. 2 zeigt ein ausführliches Blockschaltbild der Rotorelektronik;

Fig. 3 zeigt an einer Perspektivdarstellung Einzelheiten des Aufbaus des Aufnehmers; und

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild des Systems mit Einzelheiten der Stator­ elektronik;

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer Anordnung zum Ermitteln von Unter­ brechungen der Stromversorgung und zum Auslösen von Ein­ stellvorgängen als Reaktion auf diese;

Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anord­ nung nach Fig. 5;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Überlastkupplung, in die das Drehmoment-Meßsystem der vorliegenden Erfindung integriert ist; und

Fig. 8 eine Schnittstelle' der Ausführungsform der Fig. 7.

Wie in Fig. 1 gezeigt, hat eine als Beispiel dienende torsionssteife biegeela­ stische Wellenausgleichs-Kupplung zwei End-Spannvorrichtungen 10, die festgezogen werden können, um die Kupplung auf Wellen festzulegen, die Teil eines Übertragungssystems bilden. Typischerweise ist eine Welle mit einem Motor (nicht gezeigt) und die andere mit einer Maschine verbunden, die die Last bildet. Einwärts der Spannvorrichtungen weist die Kupplung an jedem Ende eine Auflage mit einem Flansch 17 auf die ihrerseits über Lamellenpakete 11 mit dem linksseitigen Ende eines mittig verlaufenden Rohrs 12 verbunden ist. Dieses Rohr 12 enthält die unten ausführlicher zu beschreibende Rotorelektronik.

Es sei angenommen, daß im Betrieb ein Motor oder eine andere Quelle einer Drehbewegung an das linksseitige Ende der Kupplung in Fig. 1 angeschlos­ sen ist. Dann wird Drehmoment von der Motorwelle (nicht gezeigt) über die Lamellenpakete am rechtsseitigen Ende der Kupplung an die Lastwelle ausgegeben, die der rechtsseitige Abschlußflansch 10 in der Sollage hält. An das Rohr 12 sind Dehnungsmeßstreifen angesetzt, die das geringfügige Tordieren des Rohrs und damit die Höhe des Drehmoments messen, das die Kupplung überträgt. Das Rohr 12 enthält die erforderliche Rotorelektronik in Form von Schaltungen, die die von den Meßstreifen registrierte Verformung zu einem elektrischen Signal umwandelt und dieses absorptionsmoduliert an eine Statoranordnung 14 überträgt.

Von der umlaufenden Welle 12 geringfügig beabstandet ist eine Statoranord­ nung 14 vorgesehen, die aus einer Aufnehmerspulenanordnung 15 und einem Gehäuse 16 besteht, das die Statorelektronik enthält. Die Aufnehmeranordnung hat ein allgemein U-förmiges Gehäuse mit einer teilzylindrischen konkaven Fläche, die zum Zusammenwirken mit der zylindrischen Außenfläche des umlaufenden Rohrs passend gestaltet ist. Ein ausreichend breiter Luftspalt zwischen dem Rohr 12 und der Anordnung 15 erlaubt einen freien Durchlauf des Rohrs 12 bei ausreichender Energieübertragung an die Rotorelektronik im Rohr 12 sowie den Datenempfang von dieser.

Zweckmäßigerweise kann die Rotorelektronik im Raum zwischen einem inneren Rohr bzw. einer inneren Welle aus Metall, an die der Dehnungsmeß­ streifen angesetzt ist, und einer äußeren Hülse angeordnet sein.

Die Fig. 2 zeigt die Verarbeitungsschaltung für das Signal aus dem Dehnungsmeßstreifen. Diese Elektronik wird als Rotorelektronik bezeichnet. Typischerweise ist der Dehnungsmeßstreifen zu einer Brückenschaltung verschaltet und erzeugt ein Differenzsignal, das an einen Verstärker 21 gelegt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 21 geht auf einen Analog/Digital- Umsetzer 22, der den Drehmomentmeßwert digitalisiert. Dieses Ausgangssignal kann an einen Mikroprozessor 23 oder unmittelbar auf einen ersten Modulator 24 gehen. Es kann zweckmäßig sein, den Analog/Digital- Umsetzer mit einem Mikroprozessor anzusteuern. Vorzugsweise erzeugt der Mikroprozessor ein Signal, das das gemessene Drehmoment entsprechend dem seriellen RS232-Übertragungsprotokoll darstellt. Der erste Modulator 24 steuert eine Rotorspuleneinheit 25 an, die für den Empfang von Energie aus der Statorelektronik 40 verantwortlich ist. Die Rotorspule 25 enthält auch eine Gleichrichterschaltung, um aus der in die Spulen der Rotorspuleneinheit induzierten Energie eine Stromversorgung 26 für die Rotorelektronik 20 abzuleiten. Bei dem ersten Modulator 24 handelt es sich typischerweise um einen steuerbaren Widerstand, der zur Stromversorgung parallelgeschaltet ist. Er kann als FET vorliegen.

Ein zweiter Signalpfad von der drehmomentmessenden Dehnungsmeß­ brücke und deren Verstärker 21 zur Rotorspuleneinheit verläuft über einen Komparator 27 und einen zweiten Modulator 28. Der Komparator 27 vergleicht das analoge Ausgangssignal des Dehungsmeßverstärkers stetig mit einem Bezugswert, der auf einer Leitung 26 anliegt. Wird der Bezugswert überschrit­ ten, erzeugt der Komparator ein Ausgangssignal, das an den zweiten Modula­ tor 28 weitergegeben wird. Der zweite Modulator 28 belastet den von der Sta­ torelektronik abgegebenen Träger mit einem zweiten Signal. Dabei kann es sich entweder um ein vollständig anderes Signal oder um das das Drehmoment darstellende Digitalsignal handeln, wodurch die vom ersten Modulator 24 erzeugte Modulationstiefe erhöht wird.

Die Fig. 3 zeigt den Aufbau der Spulenhalterung der ortsfesten Aufnehmerein­ heit ausführlicher. Dabei liegt eine rückseitige Wand 31 am Elektronik­ gehäuse 16 (Fig. 1) an; zwei Seitenwände 32 sind schiefwinklig geneigt. Die Vorderfläche 33, d. h. die dem umlaufenden Rohr 12 zugewandte Fläche besteht aus radial gerichteten Polstücken aus weichmagnetischem Werkstoff (z. B. marktübliche U-20 Kerne). Die Anzahl und Abmessung dieser Polstücke richtet sich nach dem entsprechenden Aufnehmerdurchmesser. Diese kön­ nen aus einem weichmagnetischem Ferrit-Werkstoff (bspw. N27) ausgebildet sein, wie er für hochfrequente Anwendungen geeignet ist. Der Einsatz dieser Polstücke verfolgt zwei unterschiedliche Ziele:

• 1. Durch Konzentration des magnetischen Flusses radial zur Welle kann die Empfindlichkeit des Systems insgesamt gegenüber Änderungen des Abstandes zwischen der umlaufenden Welle und der Aufnehmereinheit abgeschwächt werden.
• 2. Durch den hohen magnetischen Leitwert innerhalb der Aufnehmerspule kann ihr Querschnitt klein gehalten werden. Dies und die Umlenkung des Magnetfeldes durch die U-Schenkel ermöglicht sehr kompakte äußere Abmessungen der Aufnehmereinheit.

Um die gesamte Aufnehmereinheit herum verläuft eine Nut 34, die die Aufnehmerspule (nicht gezeigt) aufnimmt. Die Polstücke verlaufen von der Vorderfläche bis etwa zwei Drittel der Entfernung zur rückseitigen Fläche 31. Die Spulenwicklungen enden im Mittelpunkt der rückseitigen Fläche 31, wo ihre Anschlüsse in das Elektronikgehäuse hineinverlaufen. Bei der fertigen Aufnehmeranordnung sind die Wicklungen mit einem geeigneten Gießharz vergossen, das sie selbst und die Polstücke in der Sollage hält und darüber hinaus der Aufnehmeranordnung eine glatte konkave zylindrische Vorderseite erteilt. Des weiteren kann die komplette Spulenhalterung mit entsprechenden Einlegeteilen (Spule, Polstücke) in einer trennbaren Gießform gegossen bzw. im Spritzgußverfahren hergestellt werden.

Die Wicklungen der Aufnehmeranordnung können entweder aus einer einzel­ nen Spule, die die Funktionen der Leistungsübertragung und des Datenemp­ fangs in sich vereint, oder aus zwei Spulen bestehen, in welchem Fall die Funktionen getrennt sind.

In der Anordnung der Fig. 4 liegen in der Aufnehmereinheit zwei Spulen vor, die als Sendespule 41 und als Empfangsspule 42 bezeichnet sind. Die Sendespule 41 erhält Energie aus einem Oszillator 43 und gibt sie an die Ro­ torelektronik 20 weiter. Die Empfangsspule 42 empfängt Daten aus der Rotorelektronik 20 und ist an einen ersten und einen zweiten Demodulator 44, 45 angeschlossen. Typischerweise sind beide Demodulatoren kohärente AM-Demodulatoren, die ein Bezugssignal vom Oszillator 43 erhalten. Der erste Demodulator 44 ist an einen Mikroprozessor 46 gelegt, der zur Aufnahme von Signalen aus dem ersten Demodulator 44 nach dem seriellen RS232-Protokoll programmiert ist. Diese Signale stellen den Wert des gemessenen Drehmoments dar und steuern eine Anzeigeeinheit 47 sowie einen Digital/Analog-Umsetzer 48 an, um ein Analogsignal zu erzeugen, das das gemessene Drehmoment anzeigt.

Der zweite Demodulator 45 spricht nur auf starke Modulation an, wie sie vom zweiten Modulator 28 der Fig. 2 erzeugt wird. Diese Selektivität läßt sich errei­ chen, indem man in den zweiten Demodulator einen Verstärker mit Totband aufnimmt, so daß nur die Modulation oberhalb einer bestimmten Intensität detektiert wird. Der Ausgang aus dem zweiten Modulator wird an ein Überlast- Display 49 (Schwellwert-Anzeige) gegeben und kann dazu verwendet werden, eine Sicherheitseinrichtung zu betätigen und/oder den Antriebsmotor abzuschalten.

Im Betrieb sind an das linksseitige Ende der in Fig. 1 gezeigten Übertra­ gungsanordnung ein Motor und an deren rechtsseitiges Ende eine Last angeschlossen, so daß über die Koppelanordnung ein Drehmoment übertragen wird. Dieses Drehmoment wird von den Dehnungsmeßstreifen im Rohr 12 gemessen, die ein Analogsignal am Ausgang des Meßverstärkers 21 (Fig. 2) erzeugen. Dieses Analogsignal ist dem gemessenen Drehmoment proportional. Betriebsleistung für die Elektronik wird von der Statorelektronik in Fig. 4 über den Oszillator 43 und die Sendespule 41 übertragen, von der Rotorspuleneinheit 25 empfangen und auf die ver­ schiedenen Elektronikkomponenten verteilt, aus denen die Rotorelektronik 20 besteht.

Im normalen Betrieb wird der Drehmomentwert, der als Analogsignal am Ausgang des Meßverstärkers 21 liegt, vom Analog/Digital-Umsetzer 22 zu einem Digitalsignal verwandelt, das der Mikroprozessor 23 zu einem seriellen Datenstrom nach dem RS232-Protokoll umwandelt. Dieser Datenstrom geht auf den Modulator 24, der die Rotorspule 25 belastet und so das Magnetfeld zwischen der Spule in der Rotorspuleneinheit 25 und den Spulen der Auf­ nehmereinheit moduliert. In der Aufnehmereinheit wird die Modulation von der Empfangsspule 42 und dem ersten Demodulator 4 detektiert. Der erste Demodulator 44 rekonstruiert das serielle RS232-Datensignal, das dann der Mikroprozessor 46 dekodiert und den Drehmoment-Istwert auf der Anzeig­ einheit 47 darstellt. Eine digitale Darstellung des Drehmomentwerts geht an einen Digital/Analog-Umsetzer 48, der ein entsprechendes Analogsignal abgibt.

Tritt ein Überlastzustand auf, übersteigt das Analog-Ausgangssignal aus dem Meßverstärker 21 einen vorbestimmten, auf der Leitung 26 anliegenden Pegel. Dieser Zustand wird vom Komparator 27 ermittelt. Dieser Komparator 27 ist ein mit hoher Geschwindigkeit arbeitender Analog-Komparator, der daher kurzzeitige Überlastzustände erfassen kann, die weitaus kürzer sind als der Abstand zwischen den Abtastzeitpunkten des Analog/Digital-Umset­ zers 22. Beim Erfassen eines Überlastzustands geht ein Signal an den zweiten Modulator 28 in der Rotorelektronik, der durch Nebenschließen der Rotorspule 25 eine schwere Modulation erzeugt. In der Aufnehmereinheit wird der stark durchmodulierte Träger von der Empfangsspule 42 erfaßt. Da der Träger stark moduliert ist, wird der zweite Demodulator 45 aktiviert, der seinerseits die Überlastanzeige 49 erregt.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, ist das System gegenüber kurzzeitigen Überlastzuständen empfindlich und kann innerhalb eines Bruchteils des Zeitabstands zwischen den Abtastungen des Analog/Digital- Umsetzers ansprechen. Dieses rasche Ansprechen auf Überlastungen wurde durch das Hinzufügen von sehr wenig zusätzlichen Schaltungs­ elementen erreicht, d. h. des Komparators 27, des zweiten Modulators 28 in der Rotorelektronik und des zweiten Demodulators 45 und der Überlast­ anzeige 49 in der Statorelektronik. Das Ansprechverhalten läßt sich durch eine geeignete Konstruktion des zweiten Modulators und Demodulators noch weiter beschleunigen. Bspw. könnten sie eine Modulation einer höheren Frequenz erzeugen, als zum Übertragen des Digitalsignals verwendet wird. Das Drehmoment- und das Überlastsignal würde man dann im Frequenz­ multiplex bündeln.

Das beschriebene System ist auf eine Koppeleinheit nach Fig. 1 angewandt, was eine zweckmäßige Aufnahme in eine vorhandene Übertragungseinheit gestattet. Andere Maschinenteile, die die Drehmoment-Meßeinrichtung ent­ halten könnten, sind Balg- sowie drehelastische Kupplungen, insbesondere solche mit Elastomer-Bauteilen. Eine weitere vorteilhafte Kombination ist die mit mechanischen oder reibschlüssigen Überlastkupplungen, um vor evtl. vorhandenen hohen nachlaufenden Massen abzusichern. Des weiteren ist die Kombination mit regelbaren Überlastkupplungen denkbar, die das ent­ sprechende Überlastmoment der Kupplung den vorhandenen Gegeben­ heiten (unterschiedliche Prozesse) anpassen kann.

Durch eine solche Kombination wäre unter Umständen sogar eine soge­ nannte intelligente Überlastkupplung denkbar, die durch die Kombination mit einem entsprechenden Meßsystem unterscheiden kann zwischen prozeßbedingten und übelastbedingten Drehmomentanstiegen. Somit wäre eine ideale Maschinenausnutzung in Kombination mit optimaler Sicherheit gewährleistet.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung lassen sich Vorkeh­ rungen für die Übertragung von Steuersignalen von der Stator- an die Rotor­ elektronik zwecks Einstellung der Schwellwerts 26 des Komparators treffen. Dies läßt sich mittels eines Widerstands-Leiternetzwerks erreichen, das man mit einem Mikroprozessor ansteuert. Der Schwellwert wird beim anfänglichen Einrichten in die Einheit geladen oder im Betrieb an die Rotorelektronik übertragen werden.

In einem System zum kontaktlosen Messen von Drehmomenten in einer dre­ henden Welle, wie es oben beschrieben ist, sowie in anderen bekannten Systemen wie denen der Druckschriften DE 197 19 921 und DE 39 22 556 C2 besteht Bedarf zur Nachstellung bestimmten Variabler in der Rotorelektronik, um den korrekten bzw. Sollbetrieb zu gewährleisten. Bspw. muß der Nullpunkt des Dehnungsmeßstreifens eingestellt werden. Auch muß der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufen, der die Empfindlichkeit des Instru­ ments festlegt, eingestellt werden; im Fall des anhand der Fig. 1 und 4 be­ schriebenen Überlast-Überwachungssystems könnte man auch den Schwellwert zweckmäßigerweise einstellbar machen.

Es ist zwar möglich, diese Variablen von Hand oder durch Datenübertragung in einer Einrichtphase einzustellen, während eine direkte Verbindung zwi­ schen der Rotorelektronik und externen Systemteilen besteht. Solche Ein- und Nachstellungen sollten jedoch durchgeführt werden, wenn die Rotor­ elektronik ihre Sollposition auf der Welle einnimmt, wo schließlich die Messung stattfindet.

Dieses Problem ist zum Teil in der DE 197 19 921 angesprochen, bei der ein bidirektionaler Datenaustausch zwischen dem Aufnehmer der Statorelektro­ nik und der Rotorelektronik stattfindet. Dieser bidirektionale Austausch er­ laubt, den Verstärkungsfaktor des Verstärkers und den Nullungsfaktor dar­ stellende Daten vom Stator auf den Rotor zu übertragen. Die dazu eingesetzte Schaltung ist verhältnismäßig komplex.

Es wird vorgeschlagen, in den Mikroprozessor der Rotorelektronik ein Pro­ gramm einzubauen, das diese geforderten Variablen selbsttätig setzt und beim Empfang eines Befehls vom Stator ausgelöst wird. Anstatt also die eigentlichen Daten an die Rotoreinheit zu übertragen, werden nur Befehle gesendet. Es ist folglich nur die Fähigkeit zum Aussenden einer begrenzten Anzahl von Befehlen erforderlich, um eine vollständige Einrichtprozedur ausführbar zu machen.

Der einfachste Befehl wäre einfach das Einschalten des Trägers, der die Ro­ torelektronik speist. Es ist daran gedacht, daß beim Einschalten die Rotor­ elektronik von der Annahme einer drehmomentfreien Welle ausgehend den Dehnungmeßstreifen, d. h. den Nullpunkt selbsttätig abgleicht. Dies ist bspw. mit Hilfe von steuerbaren Widerständen möglich, die der Mikroprozessor selbsttätig in die Meßbrücke des Dehnungsmeßstreifens einschaltet. Auf diese Weise ist bei jedem Einschalten ein Gleichgewicht gewährleistet.

Ein solches einfaches System ist dahingehend nachteilig, daß sorgfältig darauf geachtet werden muß, die Stromversorgung nicht versehentlich zu unterbrechen, da dann zu einem Zeitpunkt, an dem das übertragene Drehmoment u. U. ungleich Null ist, ein unerwünschter Nullabgleich erfolgt. Um dies zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, die Einstellautomatik - ob Nullabgleich oder Einstellen eines Schwellwerts auf einen vorbestimmten Wert - nur nach Eingang einer speziellen Folge von Unterbrechungen der Stromversorgung auszuführen. Eine solche Folge wäre bspw. ein oder mehrere Zeichen in der Art des Morse-Alphabets - bspw. zwei kurze Energieimpulse vor einem anhaltenden EIN-Schaltzustand, die dann dazu führen, daß ein Nullabgleich erfolgt; zwei lange Impulse könnten das Nachstellen des Schwellwerts um einen vorbestimmten Betrag oder eine Zunahme um einen vorbestimmten Faktor auslösen.

Die Fig. 5 zeigt eine Anordnung zum Erfassen einer bestimmten Folge von Betriebsspannungsimpulsen und entweder zum Einleiten eines selbsttätigen Nullabgleichs oder zum Nachstellen eines anderen Systemparameters - bspw. des Verstärkungsfaktors des Meßverstärkers oder des Schwellwerts. Der Zustand der Stromversorgung wird mit einem dieser zugeordneten Unterbrechungsdetektor 51 erfaßt. Das Ausgangssignal des Unterbrechungsdetektors 5 ist an einen Zeitgeber 52 gelegt.

Dieser Zeitgeber 52 läßt sich softwaremäßig im Mikroprozessor oder als dis­ krete Einheit realisieren. Er bestimmt die Zeitdauer, für die die Stromversor­ gung EINgeschaltet ist. Die Fig. 6 zeigt schaubildlich das Ausgangssignal des Unterbrechungsdetektors 51 und entsprechende Zeitgeber-Zählwerte. In der Fig. 6 sind die Zeitgeber-Zählwerte als 1 bis 6 beziffert. In der Praxis sind sie jedoch weit größer, und zwar abhängig von der Taktfrequenz des Zeitgebers. Der Zeitgeber ist an einen Speicher 50 und an einen Zählkomparator 53 angeschlossen. Beim Speicher 50 handelt es sich um eine nichtflüchtige Schreiblese-Ausführung - bspw. ein EEPROM. Der Speicher wird mit dem Signal vom Ausgang des Stromversorgungsdetektors 51 so angesteuert, daß er beim Erfassen eines AUS-Schaltvorgangs - vergl. den Punkt B in Fig. 6 - einen neuen Zählwert aus dem Zeitgeber 52 übernimmt. Ebenfalls beim AUS-Schalten wird der Zählwert vom Zeitgeber auf den Zählkomparator 53 gegeben. Beim EIN-Schalten wird der alte Zählwert aus dem Speicher ausgelesen und im Zählkomparator 53 zwischengespeichert. Schaltet die Stromversorgung erneut AUS, kann der Zählkomparator 53 den Zählwert, der der laufenden EIN-Schaltzeit aus dem Zeitgeber darstellt, mit dem Zählwert aus dem Speicher vergleichen, der die vorgehende EIN-Schaltzeit darstellt. Sind beide gleich, gibt der Zähl­ komparator ein Signal an eine erste Entscheidungseinheit 54, die prüft, ob der Zählwert eine EIN-Schaltzeit kürzer als 100 Millisekunden darstellt. Im vorliegenden Beispiel stellen zwei aufeinanderfolgende EIN-Schaltimpulse von je 100 Millisekunden den Zustand dar, der die Notwendigkeit eines Nullabgleichs ausdrückt; in diesem Fall gibt die erste Entscheidungseinheit 54 auf der Leitung 56 ein Signal ab, das die erforderliche Softwareroutine im Mikroprozessor auslöst. Sind die aufeinanderfolgenden EIN-Schaltintervalle nicht kürzer als 100 Millisekunden, geht ein Signal an die Einheit 55, die ermittelt, ob die Impulse zwischen 100 und 200 Millisekunden lang waren. Im vorliegenden Beispiel stellt dies die Notwendigkeit dar, den Schwellwert nachzustellen, und resultiert in einem Signal auf eine Ausgangsleitung 57.

Im vorliegenden Beispiel Fall besteht die Morse-artige Kodierung aus zwei kurzen und zwei langen Impulsen. Es ist jedoch jede beliebige Kombination aus langen und kurzen Impulsen wählbar und die Schaltung dann zu deren Erfassung geeignet ausführbar. Erfolgt bspw. der Schaltvorgang ansprechend auf einen kurzen gefolgt von einem langen Impuls, dürften der Zählkomparator 53 und die Entscheidungseinheiten 54, 55 nicht gleiche Impulslängen ermitteln, sondern müßten auf einen Zählwert ansprechen, der bei einem vorgehenden Impuls von weniger als 100 Millisekunden Dauer einen Bereich von 100 bis 200 Millisekunden abdeckt. Der Zeitgeber 52, der Zählkomparator 53 und die Entscheidungseinheiten 54, 55 lassen sich problemlos als Programmcode im Mikroprozessor realisieren. Abhängig davon, ob nichtflüchtiger Schreiblese-Speicher verfügbar ist, kann der Speicher 50 in den Mikroprozessor-Chip integriert sein oder nicht.

Das Ein- und das Nachstellprogramm müssen abgeschlossen sein, bevor die Stromversorgung vollständig ausfällt. Anordnungen, die dies gewähr­ leisten, sind aus dem Stand der Technik - bspw. der unterbrechungsfreien Stromversorgungen - bekannt.

Es ist beabsichtigt, durch die Ein- und Nachstellprogramme abgeleitete Para­ meter in nichtflüchtigem Schreiblese-Speicher abzulegen, so daß sie dem System beim EIN-Schalten zur Verfügung stehen. Alternativ kann das Ein­ stellprogramm beim EIN-Schalten ausgeführt werden; der hierzu erforderliche Code ist dann in nichtflüchtigem Speicher enthalten.

LEGENDEN Fig. 2

20

Rotorelektronik

21

analoger DMS-Meßverstärker

22

Analog/Digital-Umsetzer

23

Mikroprozessor

24

Modulator

1

25

Rotorspule

26

Schwellwertvorgabe

27

Komparator

28

Modulator

2

40

Statorelektronik

Fig. 4

20

Rotorelektronik

40

Statorelektronik (Pick-up)

41

Sendespule

42

Empfangsspule

43

Oszillator

44

Demodulator

1

45

Demodulator

2

46

Mikroprozessor

47

Drehmomentanzeige

48

Digital/Analog-Umsetzer

49

Schwellwertanzeige

Fig. 5

51

EIN/AUS

52

Zeitgeber

52

Speicher

Fig. 6

ON EIN
OFF AUS

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Messen des Drehmoments in einer drehenden Welle mit einer Rotoranordnung (12, 20) auf der drehenden Welle sowie einer Statoranordnung (14, 40), die von der drehenden Welle beabstandet ist, wobei die Rotoranordnung (12, 20)

• a) einen Sensor (5, 21) zum Erzeugen eines das Drehmoment anzeigenden Analogsignals,
• b) einen Analog/Digital-Umsetzer (22), der das Analogsignal digitalisiert, und
• c) eine Übertragungseinrichtung aufweist, mit der das Digitalsignal an die Statoranordnung (14, 40) übertragbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoranordnung (12, 20) eine Pegelerfassungsschaltung (27) aufweist, mit der das Analogsignal überwachbar ist und die ein zweites Signal erzeugt, wenn das Analogsignal einen Schwellwert erreicht, wobei die Pegelerfassungsschaltung (27) an die Übertragungseinrichtung (25) angeschlossen ist, um ein zweites Signal an die Statoranordnung (14, 40) zu übertragen, das anzeigt, daß der Schwellwert erreicht ist, und wobei die Statoranordnung (14, 40) einen Empfänger (42, 45) aufweist, mit dem das Vorliegen des zweiten Signals erfaßbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Pegelerfassungsschaltung einen Komparator mit einem ersten Eingang, an den das Analogsignal gelegt ist, sowie einen zweiten Eingang (26) aufweist, an den eine Bezugsspannung geführt ist, welcher Komparator das Analogsignal mit der Bezugsspannung vergleicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Übertragungseinrich­ tung unter Absorptionsmodulation eines Trägers arbeitet, den die Statoran­ ordnung (14, 40) aussendet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das an die Statoranordnung über­ tragene Digitalsignal dem RS232-Protokoll entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der das zweite Signal eine Zu­ nahme der Modulationstiefe des Digitalsignals beinhaltet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der das zweite Signal eine se­ parate Modulation - vorzugsweise bei einer höheren Frequenz als der des Di­ gitalsignals - beinhaltet.

7. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche mit einem Über­ tragungspfad von der Stator- zur Rotoranordnung zur Übertragung von Daten zum Setzen des Schwellwertes für die Pegelerfassungsschaltung 27.

8. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der die Pe­ gelerfassungsschaltung (27) eine bistabile Schaltung aufweist, die gesetzt wird, sobald das Erreichen des Schwellwerts durch das Analogsignal erfaßt worden ist, und rückgesetzt wird, wenn das Analogsignal einen zweiten Schwellwert erreicht, der niedriger als besagter Schwellwert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Pegelerfas­ sungsschaltung eine monostabile Kippstufe aufweist, die einen zeitlich be­ stimmten Ausgangsimpuls erzeugt, wenn das Analogsignal den Schwellwert erreicht.

10. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der die Sta­ toranordnung (14, 40) ein Aufnehmergehäuse (15) mit einer zylindrischen konkaven Vorderfläche (33) aufweist, die bogenförmig radial angeordnete Polstücke sowie eine Nut (34) enthält, die in der gekrümmten Fläche auf der Unterseite des Bogens verläuft, um die Windungen einer Aufnehmerspule aufzunehmen.

11. Verfahren zum Erfassen eines Überlast-Drehmoments in einer Vorrich­ tung zum Messen des Drehmoments in einer drehenden Welle und zum Übertragen des Drehmomentwerts als Digitalsignal mit einem Transponder in der Welle an einen außerhalb der Welle angeordneten Aufnehmer, wonach man
das Analogausgangssignal des das Drehmoment überwachenden Dehnungsmeßstreifens mit einem vorbestimmten Wert vergleicht,
ein einen Überlastzustand anzeigendes zweites Signal erzeugt, wenn das Analogsignal den vorbestimmten Wert übersteigt und
das zweite Signal zusammen mit dem Digitalsignal an die Aufnehmer­ einheit überträgt.

12. Vorrichtung zum Messen des Drehmoments in einer drehenden Welle mit einer auf der drehenden Welle angeordneten Rotoranordnung (12, 20) und einer von der drehenden Welle beabstandeten Statoranordnung (14, 40), wobei die Rotoranordnung (12, 20)

• a) einen Sensor (5, 21) zur Abgabe eines das Drehmoment anzeigenden Signals und
• b) eine Übertragungseinrichtung aufweist, um das Signal an die Statoran­ ordnung zu übertragen, und wobei die Statoranordnung eine Einrichtung zum Übertragen von elektrischer Leistung an den Rotor und zum Empfangen des Signals aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß
die Rotoranordnung eine Einrichtung aufweist, mit der eine Schrittfolge zum selbsttätigen Einstellen des Nullwerts des Sensors oder des Verstärkungsfaktors oder anderer sensorbezogener Parameter ausführbar ist, und daß
eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, mit der Unterbrechungen der aus der Statoranordnung erfolgenden Stromversorgung erfaßbar sind, um beim Empfang einer vorbestimmten Folge von Unterbrechungen die Schrittfolge auszulösen.

13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 10 oder 12, gekennzeichnet durch die Integration eines derartigen Meßsystems in eine Wellenausgleichskupplung oder eine mechanische Überlastkupplung oder eine regelbare Überlastkupplung oder eine Kombination solcher Kupp­ lungen zur Steigerung der Produktivität oder zur Verbesserung der Prozeß­ kontrolle oder zur Regelung einer mechanischen Überlastkupplung.