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Leistungsrnesser für Wellen und Verfahren zur Leistungsmessung Die
Lrfindung betrifft die Messung der von einer Kraftquelle, beispielsweise einei Flugmotor
od. dgl., an eine mechanische Last, beispielsweise an eine Luftschraube, abgegebenen
Leistung in der Weise, daß das auf eine Welle übertragene Drehmoment sowie die Drehzahl
der Welle ermittelt wird, elektronische Mittel zur Vervielfachung dieser Werte verwendet
werden, um die Leistung zu erhalten, und die erhaltene Information auf eine Leistungsanzeigevorrichtung
so übertragen wird, dar die Leistung unmittelbar abgelesen oder in irgendeiner anderen
gewünschten Weise verwendet werden kann.
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Ein herkömmliches Verfahren zur Messung des Drehmoments einer Welle
besteht darin, daß Wechselstromwellen an zwei voneinander in Abstand befindlichen
Stellen auf der Welle erzeugt werden. Das Drehmoment wird dann dadurch bestimmt,
daß die Veränderung in der Phasennacheilung der Welle von der einen Stelle im Vergleich
zu der Welle von der anderen Stelle aus gemessen wird, wobei ein erhöhtes Drehmoment
eine verstärkte winkelige Verlagerung der signalbildenden Elemente zur Folge hat.
beispielsweise werden in den USA-Patenten 1.685.964, 3.095.734, 3.170.323, 3.194.065
und 3.377.850 Abwandlungen dieses Systems zur Drehmomentmessung vorgeschlagen. Eine
weitere Erleichterung der Messung wurde durch Umwandlung der Wechelstromwellen in
Rechteckwellen erzielt (siehe beispielsweise die Patente 3.095.734, 3.194.065 und
3.170.323).
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Die von einer Welle abgegebene Leistung wurde ferner durch Multiplizieren
des Drehmoments mit der Drehzahl bestimmt. Wach dem USA-Patent 1.685.964 wird das
Drehmoment in der vorangehend beschriebenen Weise gemessen und eine zelle konstanter
Drehzahl verwendet oder es wira die Xraf-t jeder Welle bei jeden Drehmomentwert
geeicht. Nach dem USA-Patent 3.377.850 wird das Drehmoment in der vorangehend beschriebenen
Weise gemessen und ein Coulometer (Voltameter) als Multiplikator verwendet.
In
dem USA-Patent 3.251.223 wird die messung des Drehmoments als Spannung von einem
Dehnungsmeßstreifen gemessen und die Drehzahl als Impulsreihe von magnetischen Signalelementen,
die mit der Welle drehbar sind, gemessen, wobei eine elektronische Vorricntung als
Multiplikator dient.
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Bisher ist keine Vorrichtung bekanntgeworden, mit der beispielsweise
die Leistung eines in Betrieb befindlichen Flugmotors erfolgreich bestimmt werden
kann, da Vorrichtuben wie Coulometer und Dehnungsmeßstreifen für diesen Zweck völlig
unbrauchbar sind. Die Piloten berechnen die Leistung immer noch auf manuellem Wege,
um die Kraftstoffzufuhr zum Triebwerk zu bestimmen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines brauchwen Gerätes und
eines brauchbaren Verfahrens zur Me#sung von Drehmoment, Drehzahl und Leistung einer
Welle in der Weise, ddß der numerische Wert der durch die Welle abgegebenen Leistung
unmittelbar an einem Meßgerät abgelesen werden kann und zusätzlich den Flugzeugpiloten
eine Motorleistungsanzeige vermittelt wird, bei der keine breiteren bere berechnunen
erforderlich sind.
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Das erfindungsgemJsse Gerät besitzt ein erstes und ein zweites Organ,
beispielsweise Nahfeldgeber, die benachbart
den Zähnen von Zahnrädern
vorgesehen sind, welche an axial voneinander in Abstand befindlichen Stellen auf
einer Welle angeordnet sind, welche die Kraftquelle mit der Last verbindet, wobei
der Ausgang der llahfeldgeber die Form von Spannung oder Wechselstromwellen hat,
die dann durch Wellenformer in erste und zweite Rechteckwellen umgewandelt und auf
eine Flip-Flop-S chaltung in der Weise übertragen erden, daß die vertikale Vorderflanke
der einen Rechtecktielle die Flip-Flop-Schaltung eins chaltet und die vertikale
Vorderflanke der zweiten Rechteckwelle die Flip-Flop-Schaltung abschaltet, um eine
dritte Rechteckwelle zu erhalten, deren Breite der Nacheilung der einen Welle hinter
der anderen proportional ist. Die durch die Verdrehung des einen Zahnrades mit Bezug
auf das andere verursachte Nacheilung ist daher dem Drehmoment auf der Welle proportional.
Die aus der Flip-Flop-Schaltung erhaltene Rechteckwelle wird auf ein Analoggatter
übertragen, welches durch eine vertikale Flanke (Vorderflanke) einer Eingangswelle
geöffnet und durch die vertikale Hinterflanke der gleichen Welle geschlossen wird.
Der Spannungsimpuls aus einem der Wellenformer wird ebenfalls, vorzugsweise über
einen monostabilen Multivibrator, auf einen Spannungsintergator zur Umwandlung der
Spannungsimpulse in einen integrierten Spannungswert übertragen, welcher der Drehzahl
der Welle proportional ist, welche integrierte Spannungs daß auf @@@ an @@e, platten
übertagen wird, die in das Analo la , wenn @@sug eöffnet
ist, eintretende
Energie wird aus dieser integrierten Spannung abgeleitet, um eine vierte Rechteckwelle
zu erhalten. Der Fläcneninnalt unter dieser letzteren Welle, der Drehmoment mal
Drehzahl darstellt, ist der durch die zelle abgegebenen Leistung proportional und
kann unraittelbar auf eine Leistungsanzeigevorrichtung oder eine andere geeignete
Vorrichtung übertragen werden.
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Zusätzlich kann ein weiterer Wellenformer zwischen der Flip-Flop-Schaltung
und dem Analoggatter angeordnet weraen, um die Form der Welle aus der Flip-Flop-Schaltung
zu stabilisieren und eine direkte Drehzahlanzeige kann ein geeignetes Signal aus
dem monostabilen Multivibrator erhalten.
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Die erfindungsgemässe Lösung-der Aufgabe ist in den Ansprüchen gekennzeichnet
und anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung
der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 die beiden Wechselstromwellen,
welche an in Abstand voneinander befindlichen Stellen der sich drehenden Welle erzeugt
werden; Fig. 3 die erste und die zweite Rechteckwelle, die aus
den
in Fig. 2 dargestellten techselstromwellen erhalten werden; Fig. 4 die durch die
Flip-Flop-Schaltung gebildete Rechteckwelle, deren Breite das Drehmoment anzeigt;
Fig. 5 die durch den monostabilen ijultivibrator gebildete Rechteckwelle, deren
Frequenz die Drehzahl darstellt, und Fig. 6 die durch das Analoggatter gebildete
Rechteckwelle, deren Flächeninhalt die Leistung darstellt.
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Die in Fig. 1 dargestellte Welle 10 dient vorzugsweise zur Verbindung
des Ausgangs einer Kraftquelle, beispielsweise des Abtriebs eines Flugzeugtriebwerks
11 mit einer Last, beis-pielsweise mit einer Luftschraube 13, und ist mit einem
Zahnrad 12 an ihrem Leistungsaufnahmeende sowie mit einem Zahnrad 14 an ihrem Lastende
versehen. Die Zahnräder 12 und 14 haben die gleiche Zähnezahl. Nahfeldgeber 16 und
18,'die dazu dienen, Wechselstromwellen bei einer Bewegung der Zahnradzähne 12 und
14 zu erzeugen, sind in der Nähe des Umfangs der Zahnräder angeordnet, wie gezeigt.
Wellenfonmer 20 und 22 dienen Je zur Umwandlung der einen Hälfte'einer Wechselstromwelle
in eine Rechteckwelle
und. sind mit aen Gebern 16 und 18 verbunden.
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Die Wellenformer 20 und 22 sind mit einer Flip-Flop-Schaltung 24 in
der Weise verbunden, daß, wenn die Flip-Flop-Schaltung abgeschaltet ist, diese durch
die Vorderflanke einer Rechteckwelle eingeschaltet wird, wänrena sie durch die Vorderflanke
einer nachfolgenden Rechteckwelle abgeschaltet wird. Die Flip-Flop-Schaltung 24
ist mit einem weiteren Wellenformer 26 verbunden, der, obwohl bevorzugt, wahlweise
ist, wie nachfolgend näher beschrieben wird. Der Wellenformer 26 ist, wenn er vorhanden
ist, mit einem Analoggatter 28 verbunden, wie gezeigt. Wenn der Wellenformer 26
nic'nt verwendet wird, wird die Flip-Flop-Schaltung unmittelbar mit dem Analog-Gatter
28 verbunden, wie durch die gestrichelte Linie im Schaltbild dargestellt.
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Der Wellenformer 22 ist mit einem inonostabilen -Multivibrator 30
verbunden, der, wenn er durch eine Welle aus dem Wellenformer angesteuert wird,
Wellen von konstanter Breite erzeugt. Der monpstabile Multivibrator ist mit einem
Spannungsintergator 31 verbunden, der seinerseits mit den Analogmatter 28 verbunden
ist.
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Line Drehzahlanzeige, beispielsweise ein Meßgerät 32 ist mit dem monostabilen
Multivibrator 30 verbunden, und eine Leistungsanzeige, beispielsweise ein Meßgerät
34, ist mit dem Analoggatter 23 verbunden.
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Die in Fig. 1 angegebenen einzelnen elektrischen Vorrichtung sind
an sich bekannt und im Handeln erhältlich.
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Die Wirkungsweise des Gerätes ist wie folgt: Wenn sich das Zahnrad
12 dreht, und die Bewegung der Zahnradzähne eine sich verändernde metallische Umgebung
verursacht und damit ein sich veränderndes Magnetfeld in der Nähe des Nahfeldgebers
16, wird in diesem eine Wechselstromwelle erzeugt. In ähnlicher Weise wird eine
zweite Wechselstromwelle in dem Nahfeldgeber 18 durch die Drehung des Zahnrades
14 erzeugt.
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Wenn die Welle 10 unbelastet ist und wenn sich die Zähne des Zahnrades
12 in vollkommener Ausfluchtung mit den Zähnen des Zahnrades 14 befinden, sind die
beiden Wechselstromwellen gleichphasig. Wenn eine Last an der Welle 10 wirksam ist
(rechts wie in Fig. 1 gezeigt), werden die Zähne am Zahnrad 14 mit Bezug auf die
Zöhne am Zahnrad 12 infolge der Verdrehung der Welle zwischen den Zahnrädern 12
und 14 winkelig verlagert. Dies bewirkt eine Nacheilung von der Grösse "a" der durch
das Zahnrad 14 induzierten Wechselstromwelle hinter der durch das Zanhrad 12 induzierten
Welle, wie durch die gestrichelte und durch die durchgezogene Linie in Fig. 2 angegeben.
Der Crad dieser Nacheilung "a" ist proportional dem Drehmoment an der Welle 10.
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Die erste, durch den Geber 16 erzeugte Wechselstrom-oder Spannungswelle
wird auf den T.;lellenformer 20 üertragen, durch welchen die eine Hälfte der Welle
in eine erste Rechteckwelle umgewandelt wird. In ähnlicher Weise wird die im Geber
13 erzeugte zweite Wechselstromwelle in Wellenformer 22 in eine zweite Wechselstromwelle
umgewandelt. Die erhaltenen Wellen sind in Fig. 3 durch durchgezogen und gestrichelt
gezeichnete Linien angegeben und unterscheiden sich voneinander um die vorerwähnte
Dimension "a", wie gezeigt.
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Die erste und die zweite Rechteckwelle wird dann auf die Flip-Flop-Schaltung
24 übertragen, die so geschaltet ist, daß die Vorderflanke des ersten Rechteckwelleneingangs
die Flip-Flop-S chaltung einschaltet, während die Vorderflanke des zweiten Rechteckwelleneingangs
diese abschaltet. Die resultierende Drehmomentwelle, welche durch die Flip-Flop-Schaltung
erzeugt wird, ist daher eine dritte Rechteckwelle, deren Breite gleich der Nacheilung
"a" der zweiten -;Kechteckwelle hinter der ersten Recnteckwelle ist, wie in Fig
angegeben, und daher gleich der Nacheilung der zweiten liechselstromwelle hinter
der ersten. Die Breite der durch die FIip-Flop-Schaltung geformten Drehmomentwelle
ist daher proportional dem Drehmoment an der zelle 10.
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Die Drehmomentwelle wird dann auf das Analoggatter 28 direkt übertragen
oder kann, wenn gewünscht, zweckmässiger dadurch' geformt werden, daß sie durch
den Wellenformer 26 geleitet wird, der beispielsweise eine Schmitt-Trigger-Scha.ltung
sein kann. Der Wellenformer 26 dient dazu, die Welle aus der Flip-Flop-Schaltung
auf eine konstante Höhe zu stabilisieren, so daß' die Verwendung eines solchen Wellenformers
bevorzugt wird. In besonderen Systemen und bei geeigneteren elektrischen Vorrichtungen
kann sich jedoch ergeben, daß die Welle aus der- Flip-Flop-Schaltung ohne Regenerieren
von geeigneter Stabilität ist.
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Die Drehzahl der lielle-10 wird aus der Frequenz der Wellenerzeugung
in einem der Geber 16 und 18 bestimmt Wie in Fig. 1 angegeben, werden die Rechteckwellen
aus demWellenformer 22 unmittelbar in einen monostabilen Multivibrator 30 geleitet,
der diese ellen in einige Reine von Impulsen oder ellen von gleicher Breite umwandelt,
wie in Fig. 5 gezeigt. Die Zahl dieser je Zeiteinheit geformten Impulse ist proportional.
der Drehzahl der Welle 10, so daß der Ausgang aus dem monostabilen Multivibrator
30 unmittelbar einem Meßgerät .32 od. dgl.
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zugeführt wurden kann, um ein Mittel zur Anzeige der Drehzahl der
Welle 10 zu erhalten. Die Impulse aus dem monostabilen Multivibrator 30 werden ferner
durch den
Spannungsintegrator 31 geleitet, um eine einzige Spannung
von integriertem Wert zu bilden, die der Wellendrehzahl proportional ist und dem
Analoggatter 28 zugeführt wird.
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Das Analoggatter 28 dient zur Erzeugung einer Rechteckwelle und ist
so geschaltet, daß es durch die vertikale Vorderflanke der Eingangsdrehmomentwelle
geöffnet wird, während es durch die vertikale Hinterflanke der Eingangs drehmomentwelle
geschlossen wird Die Höhe der Rechteckwelle wird durch die Spannung bestimmt, die
vom Spannung integrator 31 übertragen wird. Die Rechteckwelle aus dem Anäloggatter
28 hat dann, wie in Fig 6 angegeben, eine Breite "al', die dem Drehmoment proportional
ist, eine Höhe 11ß'1, die der Drehzahl proportional ist, und einen Flächeninhalt
"ab" (Drehmoment mal Drehzahl), die daher der Leistung proportional ist. Das geeignet
geeichte Meßgerät, bze. der Drehzahlanzeiger 32 gibt den numerichen Wert der Drehzahl
in Umdrehungen je Minute der Welle 10 an und das geeignet geeichte Meßgerät bzw,
der Leistungsanzeiger 34 gibt den numerischen Wert der Leisten, in PS an.
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Obwohl vorangehend bevorzugt ein System beschrieben wurde, bei welchem
die die Wellendrehzahl darstellenden limpulse inegtriert worden sind und die Drehmomentwelle
dazu benutzt worden ist, das Analoggatter zu öffnen und
zu schliessen,
kann bei geeigneten Abänderungen die Drehmoliientwelle integriert werden und die
Wellendreh--zahlwelle zur Betätigung des'Analoggatters benutzt werden.
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Die erfolgreiche Wirkungsweise der Flip-Flop-Schaltung 24 der erfindungsgemässen
Vorrichtung erfordert, daß die erste Welle (aus dem Wellenformer 20) der zweiten
WElle (aus dem Wellenformer 22)- vorangeht. Da sich drehende Wellen Drehschwingungen
ausgesetzt sind, welche. periodische winkelige Verlagerungen verursachen können,
die ausreichend groß sind, so daß sie.' zur Folge ha'ben, daß' die vorangehend beschriebene
zweite Welle der ersten vorausgeht, ist es vorzuziehen, daß die Zähne am Zahnrad
12 (Aufnahmeende) um mehrere Winkelgrade vor den Zähnen des Zahnrades 14 -(Lastende)
beim Drehmoment Null vorverlegt sind. Der Betrag dieser Vorverlegung hängt v.on
der besonderen Welle und anderen Merkmalen ab, muß jedoch mindestens gleich der'
Amplitude der stärksten erwarteten Drehschwingungen sein, die in der Welle in einem
Leistungsbereich oder bei der jeweiligen Wellenbelastung induziert werden, Bei einer
Anwendungsform von besonderem Inter,es-se, bei welcher das Drehmoment auf die Kurbelwelle
eines Flugmotors ausgeübt wird und die~Last-eine. Luftschraube ist, wurden die Getriebezähne
an der Leistungsaufnahmeseite der
Welle um etwa 20 vorverlegt.
Natürlich muß bei einer solchen Vorverlegung beim Drehmoment Null der Leistungsanzeiger
34 so-geeicht werden, daß die Leistung Null angezeigt wird, wenn er das resultierende
Wellensignal aus dem Analoggatter 28 aufnimmt.
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Obwohl im Vorangehenden eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben
wurde, ist diese nicht hierauf beschränkt, s-ondern kann innerhalb ihres Rahmens
verschiedene Abänderungen erfahren.
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Patentansprüche: