DE2037585C3 - Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Auswertung der Frequenzsignale von Dehnungsmeßsaiten an Torsionsmeßanlagen - Google Patents

Description

und Schwerkrafteinflüsse, die nur die Gleichgewichts- und handelsüblich. Als notwendiger Taktgeber läßt lage ändern und die Saitenschwimgungen und die Fre- sich ein Signal von der Netzfrequenz herleiten. Die quenzquadrate dadurch gleichsinnig verändern. so gebildeten Frequenzquadr?.te können nach einer

Wenn die Welle verdrehungsfrei ist, d. h., kein Digital-Analog-Umwandlung durch einen Opera-Drehmoment übertragen wird, schwingen beide Sai- t tionsverstäfker voneinander subtrahiert und bewertet ten in den Grundfrequenzen, die vorzugsweise gleich werden. Das entstehende Ergebnis repräsentiert das groß gewählt werden, um systematische Fehler weit- Drehmoment. Zur Leistungsbestimniung ist eine weigehend zu eliminieren. Man erhält dann die Dehnung tere Multiplikation in Analog-Rechentechnik mit dem aus der Differenz der Frequenzquadrate beider Saiten. Analogsignal der Drehzahl erforderlich. Soll eine ein-

lo heitliche digitale Signalverarbeitung vorgenommen

_s = _L_ (f 2 _ ^2) Π) werden, so sind die Frequenzquadrate einzeln in glei-

2c ^^{1 2} chen getrennten digitalen Multipiizierstufen mit dem

Signal der Drehzahl zu multiplizieren und erst an-

Da die Spannkraft- oder Dehnungsänderung der schließend nach einer Digital-Analog-Umwandlung Saiten dem Quadrat der Eigenfrequenz proportional 15 durch einen Operationsverstärker mit Bewertungsist, kann keine unmittelbare Auswertung der Fre- faktor in Differenz zu setzen.

quenzsignale durchgeführt werden. Zur Frequenzaus- Dieses Verfahren hat abgesehen von dem elektro-

wertung existieren Verfahren, die einen Frequenz- nischen Aufwand an Muitiplizierstufen den Nachteil, vergleich mit Vergleichssaiten durchführen, deren daß kleine Differenzen großer Größen als Meßwerte physikalische Eigenschaften mit der jeweiligen Meß- 20 auftreten, die bei vorhergehender Analogumwandlung saite und Kompensationssaite übereinstimmen. Bei nur eine geringe Genauigkeit erreichen,
den üblichen Verfahren wird die Dehnung der Ver- Ein anderes Verfahren ist zur Drehmomentbestim-

gleichssaite durch eine geeichte Spindel verstellt, mung aus der US-PS 27 32 713 bekannt. Eine nach deren Stellung nach Frequenzabstimmung die mecha- diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung enthält Bische Spannung bzw. Dehnung der Meßsaite angibt. 25 zwei oder mehr Induktionsspulen, die beispielsweise Somit ist der quadratische Zusammenhang zwischen auf einer Welle montiert sind und deren Induktivität Frequenz und Dehnung eliminiert. Die mathemati- sich durch die Wirkung eines Drehmomentes auf die sehen Operationen zur Differenzbildung und Bcver- Welle ändert. Die Spulen sind mit je einem Kondentung werden mit Rechenpotentiometern durchgeführt. sator zu zwei Schwingkreisen kombiniert, die je einen

Nachteilig bei diesem Frequenzvergleichsverfahren 30 Oszillator steuern. Die ursprünglich gleichen Freist die manuelle oder automatische Frequenzabstim- quenzen der Oszillatoren werden durch ein wirkendes mung der Vergleichssaite durch die Verwendung teu- Drehmoment derart verändert, daß die eine Frequenz rer feinmechanischer Baugruppen. Dieser Vergleich zunimmt und die andere Frequenz abnimmt. Die beigelingt auch nicht mit der erforderlichen Genauigkeit, den Frequenzen werden gemischt, wobei eine abwenn das zu messende Wellendrehmoment und da- 35 nimmt. Die beiden Frequenzen werden gemischt, womit die Frequenzen der Saiten nicht stationär sind bei eine Schwebung entsteht, sodann gefiltert und und sich infolge von Drehschwingungen der Welle gleichgerichtet. Da die Differenz der Einzelfrequenperiodisch ändern. Denn ändert sich die Dehnung zen bei dieser Anordnung proportional dem Drehder Meßsaite, so ist der zu messende Durchschnitts- moment ist, stellt die gemessene Schwebungsfrequenz wert proportional dem Durchschnittswert des Qua- 40 ein Maß für das Drehmoment dar. Dieses Verfahren drats der Frequenz. Die Abgleichvorrichtung erfaßt der Mischung der Einzelfrequenzen kann jedoch im jedoch nur die zeitlichen Mittelwerte der Saitenfre- vorliegenden Fall keine Anwendung finden, da das quenz. Drehmoment bei der Verwendung von Dehnungsmeß-

Somit läßt sich für die Auswertung nur das Qua- saiten gemäß (3) proportional der Differenz der Fredrat der mittleren Frequenz bilden, das im allgemei- 45 quenzquadrate ist.

nen von dem gemittelten Frequenzquadrat abweicht. Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren

Der dadurch verursachte systematische Fehler bei und eine Vorrichtung anzugeben, wobei eine hohe der Bestimmung des mittleren Drehmoments ist nur Meßgenauigkeit bei geringem Elektronikaufwand und vernachlässigbar, wenn von der Welle eine nahezu ohne manuelle oder automatische Frequenzabstimkonstante Antriebsleistung übertragen wird. Bei KoI- 50 mung der Vergleichssaite erzielt werden kann,
benmotorenantrieb schwankt jedoch das Dreh- Diese Aufgabe wird mit den in den kennzeichnen-

moment, und es entstehen Torsionsschwingungen der den Teilen der Ansprüche 1 bzw. 4 angegebenen Welle, die eine Modulation der Saitenfrequenz er- Maßnahmen gelöst.

zeugen. Im Torsionsgeber werden dadurch die bei- Der elektronische Aufwand ist vergleichsweise ge-

den Meßsaiten derselben Dehnungsschwankung aus- 55 ring. Die Frequenzauswertung nach dieser Methode gesetzt. Da sie jedoch mit verschiedenen Mittelfre- arbeitet genauer und sicherer als das vorher beschriequenzen schwingen, wird durch den quadratischen bene Verfahren. Etwaige Torsionsschwingungen der Zusammenhang zwischen Dehnung und Frequenz bei Antriebswelle wirken sich nicht auf die Genauigkeit der entlasteten Saite eine größere relative Frequenz- ti r Meße: gebnisse aus, da sich der echte Mittelwert modulation erzeugt als bei der belasteten Saite fio i!.r Frequ:nzquadrate und damit das mittlere Dreh-

Eine vollelektronische Auswertung der I'requenzen r^ment ms dem Analogsignal durch elektrische der Dehnungsgeber kann natürlich gemäß der mathe- D.impfunjsglieder direkt bestimmen läßt,
manschen Vorschrift (3) vorgenommen werden. Die Das Mischfrequenzprodukt liefert nach mathema-

mechanischen Saitenschwingunyen werden nach elek- locher Beziehung unmittelbar die Differenz der Fretrischer Umsetzung in Normirr pulsfolgen in je zwei «5 ij'ienzquailrate, die der Torsion bzw. dem Drehmo-Zählspeichern aufsummiert und anschließend digital 11 ^ nt dire κι proportional ist. Ein etwaiger Eichfaktor mit sich selbst multipliziert. Digitale Multiplizierstu- k.tnn den Multiplikator direkt eingegeben werden, fen sind aus der Rechenmaschinentechnik bekannt /ur Leistungsbestimmung wird die Differenz der Fre-

quenzquadrate anschließend mit der Drehzahl multipliziert und kann als analoges Ergebnis auf einem normalen Instrument angezeigt werden. Da nur der Absolutwert des Drehmomentes von Interesse ist und sich eine Entscheidung über die Drehrichtung der Welle leicht auf andere An herleiten läßt, ist es für das Verfahren bedeutungslos, welche der beiden Saitenfrequenzen die größere ist.

Selbstverständlich lassen sich die Mischfrequenzen der Meßsaiten als digitale Signale auch unmittelbai in digitale Form multiplizieren. Dazu sind zwei Zählspeicher notwendig, die von einem Taktgeber gesteuert in Verbindung mit der digitalen Multiplizierstufe arbeiten. Das Rechenergebnis liefert das digitale Drehmoment. Es kann ohne Genauigkeits,verlusi übertragen werden. Durch eine weitere digitale Multiplikation mit dem Drehzahlwert wird die Antriebsleistung bestimmt.

Die Summen- und Differenzfrequenz läßt sich unter Verwendung von Zählstufen auch auf digitalem WO₆C bestimmen. Dazu werden beide Saitenschwingungen in elektrische Impulsfolgen umgesetzt und nach einer Koinzidenzauflösung in einem Vorwärtszähler zur Summenbildung und einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler zur Differenzbildung eingespeist. Diese Zähler wirken gleichzeitig als Speicher, die durch einen Taktgeber gesteuert ihre Zählwerte an die Multiplizierstufe weitergeben.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht, darin, daß die elektrischen Schwingungen der Meß- und Kompensationssaite in Impulsfolgen umgesetzt und die nach Koinzidenzauflösung in digitalen Zählstufen gebildeten Summen- und Differenzfrequenzen zur Torsions- bzw. Drehmomentbestimmung miteinander multipliziert werden.

Die Antriebsleistung der Welle wird in üblichen Weise aus dem Drehmomentmeßwert und dem Drehzahlsignal in einer weiteren Multiplizierstufe be··

ίο stimmt.

Drei Ausführungsboispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden an den schematischen Zeichnungen 2 a, 2 b und 2 c im folgenden erläutert.
Die Schwingungen der Frequenz J₁ und /„ werden einer Mischstufe zugeführt und gelangen nach Ausfilterung der Summen und Differenzfrequenz über die Frequenzanalogwandler in eine analoge Multiplizierstufe. Die entstehende Differenz der Frequenzquadrate /j² — /„² repräsentiert den Drehmoment-

so meßwert. Er liefert nach einer weiteren Multiplikation mit dem analogen Drehzahlsignal die Antriebsleistung. Dieser Wert kann unmittelbar oder über ein Dämpfungsglied an einem Anzeig;einstrument dargestellt werden (F i g. 2, a).

Die Frequenzauswertung mit digitaler Signalverarbeitung wird in F i g. 2 b gezeigt.

Die Summen- und Differenzfrequenzbildung mittels Zählstufen nach Koinzidenzauflösiirig wird in F i g. 2 c dargestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

ι ~~ 2 gespannten Dehnungsmesser montiert sind (Fig. 1). Patentansprüche: Jeder Dehnungsmesser besteht aus einer Saite mit zwei polarisierten Magnetkreisen. Um den mittleren

1. Verfahren zur elektronischen Auswertung Teil der Saite ist eine enge Spirale aus Weicheisender Frequenzsignale von Dehnungsmeßsait,.n an 5 draht als Ar-ker gewickelt. Erschütterungen bewirken Torsionsmeßanlagen, dadurch gekenn- eine Elongation der Meßsaite, die dadurch über eine zeichnet, daß die elektrischen Schwingungen elektronische Rückkopplung mit Magnetkreisen in der Meß- und Kompensationssaite in einer addi- Dauerschwingungen in ihrer Eigenfrequenz versetzt tiven Mischstufe analog überlagert und die aus- wird. Dabei wird die Schwingungsamnhtude der Saüe gefilterten Summen- und Differenzfrequenzen zur io so groß, daß die mechanischen Verluste gerade der Torsions- bv.AV. Drehmomentbestimmung mitein- elektrisch zugeführten Energie entsprechen. Die Meßander multipliziert werden. saiten jeder Geberschelle bilden daher einen scharf

2. Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch ge- abgestimmten mechanischen Resonanzkreis hoher kennzeichnet, daß die elektrischen Schwingungen Güte. Der Leistungsbedarf zur Aufrechterhaltung der der Meß- und Kompensationssaite in Impuls- 15 Schwingung ist sehr gering. Der Arbeitsfrequenzfolgen umgesetzt und die nach Koinzidenzauf- bereich jeder Saite liegt im hörbaren Niederfrequenzlösung in digitalen Zählstufen gebildeten Sum- bereich. Die Eigenfrequenz wird durch die effektive men- und Differenzfrequenzen zur Torsions- bzw. Masse des Ankers und die Spannung der Saite, die Drehmomentbestimmung miteinander multi pH- genau proportional ihrer Dehnung ist, bestimmt,
ziert werden. 20 Die elastische Saite ist an beiden Enden fest ein-

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gespannt und schwingt mit einem Schwingungsbauch gekennzeichnet, daß aus dem Drehmomentmeß- in der Mitte. Besitzt diese Saitejune Länge L, die wert und einem Drehzahlsignal in einer weiteren Massem je Längeneinheit (m = Effektivmasse je Multiplizierstufe die Antriebsleistung bestimmt Längeneinheit, wobei der Anker an der Saitenmitte wird. 25 berücks^:chtigt ist) und die Spannung T₀, so schwingt

4. Vorrichtung zur Durchführung der Verah- sie mit einer Frequenz
ren nach den Ansprächen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischstufe zur Summen- 1 _ * \^!f~r_m d.h. /² = bT (1) und Differenzfrequenzbildung verwendet ist und ° 4 η L °'"

eine nachgeschaltete Multiplizierstufe daraus die 30

Differenz der Frequenzquadrate erzeugt. wobei b eine Konstante ist. Die Saite wird auf die

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- Frequenz /₀ entsprechend der Ausgangsspannung 7'₀ kennzeichnet, daß an Stelle der Mischstufe zwei eingestellt. Die mechanische Spannung dart nicht zu digitale Zählstufen verwendet werden, die nach niedrig sein, da sonst der Anker auf die Polflächen Koinzidenzauflösung der Saitenfrequenzimouls- 35 des Magnets gezogen wird. Hierdurch wird die ntef öl gen die Summen- und Differenzfrequenz bilden. drigste Frequenz bestimmt.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 5, Wenn die Welle tordiert, erfährt das Meßelement dadurch gekennzeichnet, daß zur Signalverarbei- eine Dehnung s. Die Spannung in der Saite erhöht tung nach der Summen- und Differenzfrequenz- sich deshalb um T_x - T₀ = EA s, wobei E der Elastibildung mittels Zählstufen elektronische Digital- 40 zitätsmodul und A der Querschnitt der Saite sind, bauelemente verwendet sind. Diese zusätzliche Spannung erhöht die Eigenfrequenz

der Saite auf einen Wen Z₁. Wenn die Dehnung der

Saite unterhalb ihrer Elastizitätsgrenze bleibt (hierdurch wird die maximale Betriebsfrequenz der Saite 45 bestimmt), gilt für die Frequenzänderung

Die Erfindung betrifft ein. Verfahren und eine Vor- ^ ₂ _ 1 ·< _ ^rj _ j ^ = _CJ o)

richtung zur elektronischen Auswertung der Fre- 1010/

quenzsignale von Dehnungsmeßsaiten an Torsions- c ist eine Konstante, die für jedes Meßelement

meßanlagen. durch Eichen ermittelt werden muß. Aus der gemes-

Zur Messung der Kraft- und Drehmomentübeitra- 50 senen Dehnung läßt sich die Torsion der Welle, aus gung aus der resultierenden Dehnung bzw. Torsion der Torsion mit dem Gleitmodul des Wellenwerkstofeines Körpers existieren Verfahren, die die Frequenz- fes das Drehmoment und mit der Drehzahl die von änderung einer schwingfähig gespannten Saite aus- der Welle übertragene Leistung ermitteln,
werten. Diese Saite ist in geeigneter Weise mit dem Die Frequenz jedes Meßelementes wird durch die

Körper verbunden, um in Abhängigkeit von seiner 55 Temperatur beeinflußt, da die Schneidenringe und geometrischen Formänderung eim; möglichst große die Welle im allgemeinen unterschiedliche thermische Spannkraftänderung und daraus bedingte große Ausdehnungskoeffizienten haben. Eine Temperatur-Ei gen frequenzänderung, zu erhallen. Eines dieser Ver änderung \erursacht eine Dehnung. Der resultierende fahren sei im folgenden erläutert Fehler läßt sich vermeiden, wenn das System mit

In einem bestimmten Abstand voneinander sind 6» einer zweiten Meßsaite (Kompensationssaite) für auf die ungeteilte Welle zwji Schneidenringsätze auf ■ entgegengEset/te Änderung der Frequenz bei Dehgespannt, die mit robusten zvu Heiligen Schellen gc- nung bzw Torsion der Welle verwendet wird. Die halten werden. Der axiale AKtind zwischen den Eigenschaften der zwei Meßsaiten sind so aufeinandci Schnuidenebenen wird bei jer Montage durch zwei abgestimmt (Ausdehnungskoeffizient und Eichkon-Lehn;n fixiert, die nach Fest spa inen der Schellen 65 stante), daß Temperaturschwankungen das Frequenzentfernt werden. Jede Schellt ist mit zwei Knaggen quadrat um ilen gleichen Betrag verändern. Da sie versehen, zwischen denen senkieeht zur Wellenachse auf der Welle gegeneinander wirken, werden dt und tangential zum Wellenumt.in? die schwingfähis; Temperatiiri'ehler kompensiert, ebenso die Fliehknif¹