DE2118722A1 - Dynamic torsion knife - Google Patents
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Description
Dynamischer Torsionsmesser Die Erfindung betrifft eine Elessmethode, mit der die Torsion von rotierenden und stillstehenden Wellen einfach gemessen werden kann. Das ermöglicht gleichzeitig die Messung des Drehmomentes, das auf die Welle wirkt. Ist dic Drehzahl der Welle bekannt, kann durch die Multiplikation Drehzahl x Drehmoment die öbertragene Leistung bestimmt werden. Dynamic torsion meter The invention relates to an eless method, with which the torsion of rotating and stationary shafts can easily be measured can. This also enables the torque that is applied to the shaft to be measured works. If the speed of the shaft is known, the speed can be multiplied by multiplying it x torque the transmitted power can be determined.
Es ist bekannt, die Torsion durch Dehnungsmesstreifen zu messen. Der Nachteil der Methode ist, dass das Signal ueber Schleifringe und Bürsten von der rotierenden Welle abgenommen werden muss. Das kann Storsignale hervorrufen. Es sind auch optische Methoden bekannt ( Patentschrift USA 2586540, USA 3111028, USA 3495452 ). hier sind zwei Schlitzscheiben oder zwei Scheiben mit abwechselnd durchsichtigen und undurchsichtigen Sektoren auf der Welle hintereinander angebracht. Es wird dann die Lichtintensität gemessen, die durch die beiden Scheiben hindurchtritt. Die Messung ist empfindlich von der Alterung der verwendeten Glühlampe abhängig. Ebenso kann Staub und andere Verschmutzung das Messergebnis verfålschen. Ausserdem ist eine sorgfältige Abschirmung gegen Fremdlicht durch aufwendige Gehäuse erforderlich.It is known to measure torsion using strain gauges. Of the The disadvantage of the method is that the signal comes from slip rings and brushes rotating shaft must be removed. This can cause interfering signals. There are optical methods are also known (patent specification USA 2586540, USA 3111028, USA 3495452 ). here are two slotted disks or two disks with alternating transparent ones and opaque sectors mounted one behind the other on the shaft. It will then measured the light intensity that passes through the two panes. The measurement is sensitive to the aging of the incandescent lamp used. Likewise can Dust and other contamination falsify the measurement result. There is also a careful shielding against extraneous light through complex housings is required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine möglichst unkomplizierte mechanische Konstruktion die Torsion von Wellen möglichst stórungsfrei zu messen.The invention is based on the object by means of an as uncomplicated as possible mechanical construction to measure the torsion of shafts as smoothly as possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsmässig dadurch gelöst, dass spetielle Moire-Muster verwendet werden. Auf der Welle sind zwei Scheiben angebracht. Jede der Scheiben ist in manchen Bereichen fur magnetische oder elektrische Felder oder Licht durchlässig und in anderen Bereichen undurchlässig. Sind die Scheiben direkt hintereinander angeordnet, so ist die Gesamtdurchltssigkeit durch die Überlagerung der der Einzeldurchlässigkeiten der beiden Scheiben gegeben Dabei entstehen bestimmte Muster der Gesamtdurchla1ssigkeit> die als Moiré - Muster.This object is achieved according to the invention in that special Moire patterns can be used. Two disks are attached to the shaft. Every The disk is in some areas for magnetic or electric fields or Light permeable and impermeable in other areas. Are the slices direct arranged one behind the other, the total permeability is due to the superposition given by the individual permeabilities of the two panes Pattern of total transmittance> that of a moiré pattern.
allgemein bekannt sind. Jede der Scheiben wird mit einem derartigen Muster versehen, dass das resultierende Moire - Muster quasi rotationssymetrisch iat. Ebenso. sind die Muster auf den Scheiben so besobaffen, dass daç resultierende Moiré-Muster folgende Eigenschaft aufweist: Wird eine Scheibe in Bezug zu der anderen Scheibe um einen Kleinen Winkel verdreht ( das ist der Fall, wenn ein Drehmoment auf die Welle wirkt), dann nimmt die Ge6atatdurchlas3igkeit durch die beiden Scheiben für nianclle fladen auf den Scheibe t ah, wihrend sie ffir andere Radien zunimmt. Dadurch ergibt sich die Mögllchkeit, durch eine Differenzmessung der Gesamtdurchiassigkeit bei zwei verschiedenen Radien die Verdrehung der Scheiben und damit das Drehmoment genau zu messen.are well known. Each of the disks comes with one such Pattern provided that the resulting moire pattern is quasi rotationally symmetrical iat. As well. the patterns on the disks are made in such a way that the resulting Moiré pattern has the following property: becomes one disc in relation to the other Washer twisted by a small angle (this is the case when a torque acts on the shaft), then the geotransparency through the two disks increases for nianclle flatbread on the disc t ah, while for other radii it increases. Through this there is the possibility of a differential measurement of the total permeability with two different radii, the rotation of the discs and thus the torque to measure accurately.
Die-Scheiben können zum Beispiel aus Kunststoffmaterial bestehen, das mit einer dünnen bletallschicht beschichtet ist. Das Muster auf den Scheiben kann durch eine kombinierte Foto- und Stztechnik hergestellt werden, wie sie bei der herstellung von gedruckten elektronischen Platten allgemein üblich ist.The discs can for example consist of plastic material, which is coated with a thin layer of metal. The pattern on the discs can be produced by a combined photo and composition technique, as shown in in the manufacture of printed electronic boards is common practice.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch Verwendung spezieller Moire - Muster sehr einfach eine Differenzmessung möglich wird. Dadurch heben sich Störungen, wie änderung des magnetischen Feldes, elektrischen Feldes oder Lichtes weitgehend auf. Ebenso ist die Messempfindlichkeit erheblich erh8ht, da fur manche Radien die Gesamtdurchlassigke it zunimmt, wåhrend sie für andere abnimmt. Verwendet man magnetische oder elektrische Felder, ist eine Empfindlichkeit gegen Verschmutzung weitgehend ausgeschaltet. Ebenso ist keine Abschirmung gegen Fremdlicht erforderlich. Die herstellung der Scheiben durch die Foto- und Ätztechnik ermöglicht auch komplizierte Muster ohne hohen Aufwand.The advantages achieved with the invention are in particular: that by using special moiré patterns a differential measurement is very easy becomes possible. As a result, disturbances such as changes in the magnetic field, electric field or light. The same is true of the measurement sensitivity increased considerably, since for some radii the total permeability increases during it decreases for others. Using magnetic or electric fields is one Sensitivity to soiling largely switched off. There is also no shielding against extraneous light required. The production of the discs by the photo and Etching technology also enables complex patterns without great effort.
Drei Ausfúhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden naher beschrieben. Dabei zeigt die erste Darstellung ein Beispiel, bei dem ein magnetisches Wechselfeld angewendet wird, die zweite Darstellung ein Beispiel, bei dem ein elektrisches Wechselfeld angewendet wird und das dritte Beispiel zeigt eine Ausführung, bei der Licht benutzt wird.Three exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. The first illustration shows a Example in which an alternating magnetic field is applied, the second representation one example in which an alternating electric field is applied and the third Example shows an implementation where light is used.
Fig. 1 Magnetischer Torsionsmesser.Fig. 1 Magnetic torsion knife.
,Fig. 2 Vergrösserter Ausschnitt der Scheiben mit Metallbeschichtung., Fig. 2 Enlarged section of the panes with metal coating.
Fig. 3 Erstes Beispiel für ein Muster auf den Scheiben 1 und 2.Fig. 3 First example of a pattern on disks 1 and 2.
Fig. 4 Scheiben 1 und 2 mit den Mustern nach Fig. 3 hintereinander angeordnet.4 disks 1 and 2 with the patterns according to FIG. 3 one behind the other arranged.
Fig. 5 Zweites Beispiel für ein Muster auf den Scheiben 1 und 2.Fig. 5 Second example of a pattern on disks 1 and 2.
Fig 6 Scheiben 1 und 2 mit den Mustern nach Fig. 5 hintereinander angeordnet.6 disks 1 and 2 with the patterns according to FIG. 5 one behind the other arranged.
Fig. 7 Beispiel einer elektronischen Schaltung zur Messung der Differenz der Wechselsignale des magnetischen Feldes.7 shows an example of an electronic circuit for measuring the difference the alternating signals of the magnetic field.
Fig. 8 Beispiel einer elektronischen Schaltung zur Messung zweier magnetischer Wechselsignale und nachfolgender Differenzbildung der Gleichsignale.Fig. 8 example of an electronic circuit for measuring two magnetic alternating signals and subsequent subtraction of the direct signals.
Fig 9 Beispiel einds llochfrequenzgenerators.9 Example of a hole frequency generator.
Fig 10 Elektrischer ltorsionsmesser.Fig 10 Electric torsion meter.
Fig 11 Ersatzschaltbild für kapazitaten.Fig. 11 Equivalent circuit diagram for capacitances.
Fig. 12 Beispiel einer elektronischen Schaltung zur Messung der Differenz der Wechselsignale des elektrischen Feldes.12 example of an electronic circuit for measuring the difference the alternating signals of the electric field.
Fig. 13 Beispiel einer elektronischen Schaltung zur Messung zweier elektrischer Wechselsignale und nachfolgender Differenzbildung der Gleichsignale.13 example of an electronic circuit for measuring two electrical alternating signals and subsequent subtraction of the direct signals.
Fig. 14 Optischer Torsionsmesser.Fig. 14 Optical torsion meter.
Fig. 15 Beispiel einer elektronischen Schaltung zur Messung von Lichtdifferenzen.15 example of an electronic circuit for measuring light differences.
Fig. 1 zeigt einen Torsionsmesser, bei dem ein magnetisches Wechselfeld angewendet wird. Zwei Scheiben 2 und 3 sind auf die Welle 1 montiert. Die Scheiben bestehen zum Beispiel aus Kunststoffmaterial, auf das eine Metallschicht aufgebraucht ist. In die Metallschicht sind bestimmte Muster eingeätzt. Fig. 2 zeigt vergrossert, wie die Scheiben zueinander angeordnet werden. Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Muster in den beiden Scheiben. Werden die beiden Scheiben hintereinander angeordnet, ergibt sich ein Bild wie in Fig. 4 gezeigt ist. Die Wffnungen in den Metallschichten überlappen sich teilweise. Wird nun eine Scheibe in Bezug zu der anderen Scheibe etwas gedreht, nimmt die Gesamtfläche der 'dffnungen bei dem Radius R1 zum Beispiel zu, wåhrend sie für die Offnungen bei dem Radius R2 abnimmt. In Fig. 5 ist eine andere Möglichkeit der Muster gezeigt, die eine besondere Eigenschaft aufweist. Werden beide Scheiben hintereinander angeordnet, ergibt sich sich für den Radius R3 eine hohere Durchlässigkeit als für den Radius R4.Fig. 1 shows a torsion knife in which an alternating magnetic field is applied. Two disks 2 and 3 are mounted on the shaft 1. The disks consist, for example, of plastic material on which a metal layer has been applied is. Certain patterns are etched into the metal layer. Fig. 2 shows enlarged, how the disks are arranged in relation to each other. Fig. 3 shows an example of the Pattern in the two discs. If the two discs are arranged one behind the other, the result is an image as shown in FIG. 4. The openings in the metal layers partially overlap. Now becomes one disc in relation to the other disc rotated slightly, takes the total area of the openings at radius R1 for example to, while it decreases for the openings at the radius R2. In Fig. 5 is a another possibility of the pattern shown, which has a special property. If both discs are arranged one behind the other, the result is the radius R3 has a higher permeability than for the radius R4.
Wird eine Scheibe in Bezug zur anderen gedreht, verschiebt sich das Muster radial.If one disc is rotated in relation to the other, it shifts Pattern radial.
Hier bewirkt also eine Torsion eine radiale Verschiebung des Moiré - Musters. Das erlaubt eine Messung der Torsion, indem die radiale Position des Maximums oder Minimums der Durchlässigkeit gemessen wird.So here a torsion causes a radial shift of the moiré - pattern. This allows the torsion to be measured by taking the radial position of the Maximum or minimum permeability is measured.
Auf der einen Seite der Scheiben ist eine Spule 4 mit oder ohne Ferritkern angeordnet. (Fig.l). Diese Spule wird mit einem Wechselstrom gespeist. Die Frequenz ist so hoch gewählt, dass die Eindringtiefe des magnetischen Feldes in die Metallschichten kleiner als deren Dicke ist. Dadurch sind die beiden radial angeordneten Spulen 5 und 6 auf der anderen Seiten der Scheiben teilweise von dem magnetischen Feld abgeschirmt. Die Abschirmung hangt von der Durchlässigkeit der beiden Scheiben für das magnetische Feld und damit von der Flache der entstehenden Öffunngen bei dem jeweils entsprechenden Radius ab. Die Scheiben werden so justiert, dass bei fehlendem Drehmoment die Spulen 5 und 6 genau von einem gleichen magnetischen Fluss durchdrungen werden. Wird nun die eine Scheibe in Bezug zur anderen Scheibe durch ein Drellmnmen' verdrillt, wird die eine Spule von einem gar seren und die anlere VEln Pine!l geringeren m.ngneti:cllon Fiti';s durchdrungen. Durch elektronische Schaltungen kann die Differenz zwischen den Signalen von Spule 5 und 6 gemessen werden. Dieses Signal ist zu den Drehmoment direkt proportional. Fig. 7 zeigt eine elektronische Schaltung, in der die Spulen 5 und 6 mit einem Kondensator zu einem Schwingkreis zusammengeschaltet sind. Der Wicklungssinn der Spulen ist so zugeordnet, dass der Schwingkreis nur auf das Differenzsignal anspricht. Die Wechselspannung am Schwingkreis kann entweder direkt oder nach einer Verstärkung gleichgerichtet werden. Fig.8 zeigt eine elektronische Schaltung, in der die Signale in jeder Spule zunächst getrennt gleichgerichtet werden und dann die Differenz durch eine Operationsvers tärkerschaltung gebildet wird. Die Gleichrichterdioden sind derart angeordnet, dass auch die Richtung des Drehmomentes (positiv oder negativ) gemessen werden kann. Fig. 9 zeigt eine mögliche Schaltung fuar den oszillator, Als Schwingkreisspule des Oszillators kann direkt die Spule 4 verwendet werden.On one side of the disks is a coil 4 with or without a ferrite core arranged. (Fig.l). This coil is fed with an alternating current. The frequency is chosen so high that the depth of penetration of the magnetic field into the metal layers is smaller than its thickness. This creates the two radially arranged coils 5 and 6 on the other side of the disks partially from the magnetic field shielded. The shielding depends on the permeability of the two panes for the magnetic field and thus of the area of the resulting openings in the corresponding radius in each case. The discs are adjusted so that if there is no Torque the coils 5 and 6 penetrated exactly by the same magnetic flux will. If one disc is now in relation to the other disc by a twisting When twisted, one coil is made of a very solid one and the other one is made of a smaller one m.ngneti: cllon Fiti '; s permeated. Through electronic Circuits the difference between the signals from coil 5 and 6 can be measured. This Signal is directly proportional to the torque. Fig. 7 shows an electronic Circuit in which the coils 5 and 6 with a capacitor form an oscillating circuit are interconnected. The winding direction of the coils is assigned so that the Resonant circuit only responds to the difference signal. The alternating voltage on the resonant circuit can be rectified either directly or after amplification. Fig.8 shows an electronic circuit in which the signals in each coil are initially separated are rectified and then the difference by an Operationsvers amplifier circuit is formed. The rectifier diodes are arranged in such a way that also the direction the torque (positive or negative) can be measured. Fig. 9 shows a possible circuit for the oscillator, as a resonant circuit coil of the oscillator the coil 4 can be used directly.
Fig. 10 zeigt einen Torsionsmesset, bei dem ein elektrisches Wechselfeld angewendet wird. Eine rlngförmige Platte 7 eines Kondensators ist mit dem Oszillator verbunden.Auf der anderen Seite der Scheiben sind zwei ringförmige Kodensatorplatten 8 und 9 radial angeordnet. Die Frequenz wird so gewáhSts dass der Blindwiderstand der Kapazitäten zwischen den Platten 7 und 8 bzw. 7 und 9 gut messbare Werte annimmt. Die Hetallschichten auf den Platten 2 und 3 kannen z.B. auf Massepotential liegen. Für den Fall, dass kein Drehmoment auf die Welle wirkt, ist die Anordnung derart justiert, dass die Kapazitäten zwischen den Platten 7 und 8 bzw. 7 und 9 genau gleich sind. Wirkt nun ein Drehmoment auf die Welle, wird die eine Kapazität vergrössert und die andere verkleinert.Diese Anordnung wirkt wic ein Differentialdrehkondensator, dessen Schaltbild in Fig.ll gezeigt ist. Fig. 12 zeigt ein Schaltbild, mit dem das Differenzwechselsignal gemessen werden kann, Fig. 13 zeigt ein Schaltbild, in dem die Wechselsignale zunächst gleichgerichtet werden und danach die Differenz durch eine Operationsserstärkerschaltung gebildet wird. Die Gleichrichterdioden sind derart angeordnet, dass auch die Richtung des Drehmoments gemessen werden kann.10 shows a torsion measurement in which an alternating electric field is applied. An elongated plate 7 of a capacitor is connected to the oscillator On the other side of the discs are two annular capacitor plates 8 and 9 arranged radially. The frequency is chosen so that the reactance the capacitance between the plates 7 and 8 or 7 and 9 assumes easily measurable values. The metal layers on plates 2 and 3 can, for example, be at ground potential. In the event that no torque acts on the shaft, the arrangement is such adjusted so that the capacities between plates 7 and 8 or 7 and 9 are exactly the same are. If a torque acts on the shaft, one of the capacities is increased and the other is reduced in size. This arrangement acts like a differential variable capacitor, whose circuit diagram is shown in Fig.ll. Fig. 12 shows a circuit diagram with which the Differential alternating signal can be measured, Fig. 13 shows a circuit diagram in which the alternating signals are first rectified and then the difference through an operational booster circuit is formed. The rectifier diodes are like this arranged that the direction of the torque can also be measured.
Fig. 14 teilt einen Torsionmesser, bei den Licht angewendet wird. Hier können ebenfalls Kunststoffscheiben mit einer Metallbeschichtung verwendet werden, der Kunststoff muss für Licht gut durchlässig sein. Auf der einen Seite der Scheiben befindet sich eine Glühlampe 10 und auf der anderen Seite zwei radial angeordnete Photozellen 11 und 12. Fur den Fall, dass kein Drehmoment auf die Welle wirkt, ist die Anordung derart justiert, dass auf beide Photozellen genau die gleiclic Lichtitltensitat trifft. wirkt nun ein Drclimor.:ent auf die Welle, nimmt d Lichtintensität für eine Photozelle zu und fur die andere ab. Mit der in Fig. 15 gezeigten Schaltung wird sehr exakt das Differenzsignal gemessen. Die Photozellen 11 und 12 sind antiparallel zusammengeschaltet und werden durch die virtuelle Erde des Operationsverstärkers im Kurzschluss betrieben, Dadurch ergibt sich ein streng linearer Zusammenhang zwischen der Lichtintensitat, die auf die Photozellen trifft und dem Photostrom.Fig. 14 divides a torsion meter to which light is applied. Plastic disks with a metal coating can also be used here the plastic must be well permeable to light. On the one hand One incandescent lamp 10 is located on the discs and two radially on the other side arranged photocells 11 and 12. In the event that there is no torque on the shaft works, the arrangement is adjusted so that exactly the same on both photocells Lightness meets. now a Drclimor.:ent acts on the wave, takes d light intensity for one photocell closed and for the other off. With the in Fig. 15 the circuit shown, the difference signal is measured very precisely. The photocells 11 and 12 are connected together anti-parallel and are created by the virtual earth of the operational amplifier operated in short circuit, this results in a strictly linear relationship between the light intensity that hits the photocells and the photocurrent.
Der Kondensator in dem Rückkopplungszweig aller Operationsverstlirlcerschaltungen eliminiert die Schwankungen des Signals, die durch die Drehung der Welle verursacht werden.The capacitor in the feedback branch of all operational amplifier circuits eliminates the fluctuations in the signal caused by the rotation of the shaft will.
Patentanspruche: 1. Dynamischer Torsionsmesser mit zwei hintereinander liegenden Scheiben auf denen Muster vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Moire - Muster entsteht, das quasi rotationssymetrisch ist und bei dem sich bei einer kleinen Drehung der einen Scheibe (2) in Bezug zur anderen Scheibe (3) die'Durchla'ssigkeit fur ein magnetisches oder elektrisches Feld oder Licht für manche Radien auf den Scheiben (2 und 3) zunimmt und fur andere Radien abnimt.Claims: 1. Dynamic torsion knife with two in a row lying discs on which patterns are present, characterized in that a moiré pattern is created that is quasi rotationally symmetrical and in which with a small rotation of one disc (2) in relation to the other disc (3) the 'permeability for a magnetic or electric field or light for some radii on the discs (2 and 3) increase and for other radii it decreases.
2. Dynamischer Torsionsmesser nach Anspruch 1, bei dem ein Moiré - Muster verwendet Wird, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kopplung zwischen zwei bzw. drei Spulen (4,5 und 6) geandert wird, wenn sich das Moiré- - Muster durch eine Verdrehung der einen Scheibe (2) in Bezug zur anderen Scheibe (3) andert.2. Dynamic torsion knife according to claim 1, in which a moiré - Pattern is used, characterized in that the magnetic coupling between two or three coils (4, 5 and 6) is changed when the moiré - pattern through a rotation of one disc (2) in relation to the other disc (3) changes.
3. Itessmethode des Signals bei dem dynamischen Torsionsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dit Differenz der Signale der beiden Spulen 5 und 6 gemessen wird, wobei bei einem auftretenden Drehmoment das Signal in einer Spule zunimmt und in der anderen abnimmt.3. Method of measuring the signal in the dynamic torsion meter Claim 2, characterized in that the difference between the signals of the two coils 5 and 6 is measured, the signal in a Coil increases and in the other decreases.
4. Elektronische Schaltung zur Messmethode des Signals nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen 5 und 6 derart tn Reihe geschaltet werden, dass die Differenz der Wechselsignale gebildet wird und dieses Differenzsignal anschliessend gleichgerichtet wird. (Fig. 8).4. Electronic circuit for measuring the signal according to claim 3, characterized in that the coils 5 and 6 are connected in series in such a way that that the difference between the alternating signals is formed and then this difference signal is rectified. (Fig. 8).
5. Elektronische Schaltung zur Mesamethode des Signal nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dasa zunachst jedes Signal in den Spulen getrennt gleichgerichtet wird und dann die Differenz der Gleichsignale gebildet wird (Fig. 9 ) wodurch auch das Vorzeichen des Drehmoments geleisen wird.5. Electronic circuit for the mesa method of the signal according to claim 3, characterized in that each signal is first rectified separately in the coils and then the difference between the DC signals is formed (Fig. 9), which also the sign of the torque is performed.
6. Benutzung gleich abgestimmter Schwingkreise in den elektronischen Schaltungen nach den Ansprüchen 4. und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (4,5 und 6 gleichzeit als Induktivitaten der Schwingkreise dienen.6. Use of the same tuned oscillating circuits in the electronic Circuits according to Claims 4 and 5, characterized in that the coils (4,5 and 6 serve simultaneously as inductances of the oscillating circuits.
Claims (1)
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