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Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus oder von Steuerimpulsen
in Maschinen bzw. Einrichtungen mit relativ zueinander rotierenden Teilen Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus oder von Steuerimpulsen
in Maschinen bzw. Einrichtungen mit relativ zueinander rotierenden Teilen, bei welcher
dem einen Teil mindestens eine Strahlungsquelle und dem anderen Teil mindestens
ein Strahlungsempfänger zugeordnet ist, mittels derer die als elektrische Signale
vorliegenden Meßwerte oder Steuerimpulse während der relativen Rotationsbewegung
beider Teile in Form modulierter elektromagnetischer Strahlung ununterbrochen zwischen
ihnen übertragbar sind.
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Vorrichtungen dieser Gattung haben in der Technik vielfältige Bedeutung.
Sie dienen z.B. dazu, auf möglichst einfache Weise von feststehenden Steuerständen
oder Maschinenteilen aus Steuerimpulse auf rotierende oder sich in anderer Weise
bewegende Maschinen bzw. Maschinenteile zu übertragen.
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In der Meßtechnik besteht außerdem häufig die umgekehrte Aufgabe,
Meßsignale aus rotierenden Maschinenteilen auf ruhende Meßgeräte oder Meßdatenspeicher
zu übertragen. Dabei kann es sich um die verschiedensten Meßwerte handeln, z.B.
um gemessene Temperaturwerte oder mittels Dehnungsmeßstreifen erfaßte übertragene
Drehmomente, wobei diese Meßwerte zum Zwecke ihrer Übertragung, ebenso wie die Steuerimpulse,
in elektrische Signale umgesetzt werden.
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In diesem Rahmen richtet sich die Erfindung insbesondere auf die
Übertragung von Meßsignalen aus rotierenden Maschinenteilen auf ruhende Meß-, Empfangs-
oder Meßdatenspeicher-Geräte, bei welcher die von dem rotierenden Teil abgenommenen
Meßwerte zunächst in elektrische Signale umgesetzt, diese von dem rotierenden auf
den ruhenden Teil übertragen und von diesem an das Meß-, Empfangs- und/oder Speichergerät
weitergeleitet werden.
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Bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung ist es zum Zwecke der berührungslosen
Übertragung solcher Signale zwischen den relativ zueinander rotierenden Teilen bekannt
und vielfach üblich, mittels Funkstrecken im Ultrakurzwellenbereich zu arbeiten,
wobei die in Form elektrischer Signale vorliegenden Meßwerte oder Steuerimpulse
mittels der Strahlungsquelle des einen Teils in modulierte elektromagnetische Strahlung
umgewandelt und in dieser Form auf den Strahlungsempfänger des anderen Teils übertragen
werden, der sie in elektrische Signale rückverwandelt, so daß sie von ihm in dieser
Form weitergeleitet werden können.
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Die Anwendung des Funkverfahrens hat jedoch gerade für die hier in
Rede stehenden Zwecke den Nachteil, daß es wegen des in Maschinenhallen häufig hohen
Funkstörpegels auf Schwierigkeiten stößt und es infolge des Mangels an freien Funkkanälen
wegen der zu kleinen Bandbreite nur die Übertragung sehr begrenzter Informationsmengen
ermöglicht, zumal die Zurverfügungstellung solcher Kanäle entsprechende behördliche
Genehmigungen voraussetzt.
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Statt dessen ist es für die berührungslose Übertragung elektrischer
Signale zwischen relativ zueinander rotierenden
Teilen auch bekannt,
induktiv im Niederfrequenzbereich unter Verwendung von Drehtransformatoren oder
kapazitiv (vgl. Zeitschrift 'tFeinwerktechnikT', 1969, Heft 10, S. 431/432) zu arbeiten.
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Auch diese Verfahren haben jedoch nicht befriedigt.
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Das induktive Verfahren arbeitet zwar relativ betriebssicher, es gestattet
jedoch nur die Übertragung sehr niederfrequenter Meßsignale, wodurch der Informationsfluß
ebenfalls begrenzt ist. Das @@p@zitive Verfahren hat ebenfalls den Nachteil, nur
verhältnismäßig schmale Bandbreiten zuzulassen, ist darüber hinaus aber mit dem
weiteren Nachteil behaftet, besonders empfindlich gegenüber elektrischen Störfeldern
zu sein.
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Für andere Zwecke als für die Signalübertragung zwischen relativ
zueinander rotierenden Teilen ist es an sich bereits bekannt, elektromagnetische
Strahlung im optischen Bereich zu verwenden. Dabei handelt es sich jedoch um die
Übertragung von Signalen oder Informationen zwischen ruhenden Teilen.
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So ist bereits eine Strommeßvorrichtung für Hochspannungsnetze mit
optischer Übertragung bekannt (DT-AS 1 283 363), mittels welcher der Fluß eines
polarisierten Lichtbündels moduliert wird, dessen Polarisationsebene unter dem Einfluß
eines durch den zu messenden Strom erzeugten Magnetfeldes gedreht wird und die sich
dadurch kennzeichnet, daß das polarisierte Lichtbündel durch eine einen Ausgleich
bewirkende magnetische Drehvorrichtung hindurchgeht, welche sich in Erdnähe befindet
und welche eine Drehung in der Gegenrichtung bewirkt, wodurch ein Ausgleich für
die erste Drehung gegeben ist, daß ferner durch eine Meßvorrichtung der die Ausgleichsdrehung
verursachende
Strom gemessen wird und daß schließlich ein Mittel vorgesehen ist, mit dessen Hilfe
das aus der zum Ausgleich dienenden magnetischen Drehvorrichtung austretende Lichtbündel
in zwei Teilbündel unterteilt wird, die jeweils in zwei photoelektrische Vorrichtungen
einfallen, welche zu einer ausgeglichenen Schaltung gehören. Dabei repräsentiert
der Winkel der Polarisationsebene gegenüber der der Referenzebene die jeweilige
Information.
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Eine ununterbrochene Informationsübertragung zwischen zwei relativ
zueinander rotierenden Teilen ist mit Hilfe dieser Vorrichtung weder vorgesehen
noch möglich.
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Von der zuvor beschriebenen Vorrichtung unterscheidet sich eine ähnliche
Vorrichtung (DT-OS 1 939 510) hauptsächlich dadurch, daß bei ihr ein anderes Modulationsverfahren
angewandt wird, das dazu fahrt, daß die Informationen in Form von Lichtimpulsen
übertragen werden. Für die Signalübertragung zwischen relativ zueinander rotierenden
Teilen im Sinne eines ständig ununterbrochenen Kontaktes ist jedoch auch diese Vorrichtung
ungeeignet.
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Abgesehen von dem zuvor beschriebenen Fall der Signal-oder Informationsübertragung
zwischen relativ zueinander ruhenden Teilen, ist die Verwendung von elektromagnetischer
Strahlung im optischen Bereich schließlich auch bei solchen Vorrichtungen bereits
bekannt, die zwar relativ zueinander rotierende Teile aufweisen, bei denen aber
der Rotationswinkel selbst die zu messende Größe verkörpert.
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Gemäß einer bekannten Vorrichtung dieser Gattung (US-PS 3 399 590),
die insbesondere für Navigationszwecke bestimmt
ist, wird auf diese
Weise mit besonders'hoher Genauigkeit die Nullstellung einer sich drehenden Welle
zeitlich markiert. Die berührungslose Übertragung von Signalen zwischen relativ
zueinander rotierenden Teilen ist mit dieser bekannten Vorrichtung jedoch nicht
möglich.
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Nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet eine weiterhin bekannte lichtelektrische
Meßeinrichtung (OE-PS 268 713; DT-OS 1 498 224), die unter Verwendung von optischen
Bauelementen, insbesondere in Form von Lichtleitbündeln, zum Bestimmen der Abweichung
der Winkelstellung eines Zeigers gegenüber der Nullstellung dient und bei welcher
mit Hilfe eines optischen Bauelementes, das auf der Welle eines mit konstanter Drehzahl
umlaufenden Motors angeordnet ist, einerseits über ein die Meßstellung markierendes
optisches Bauelement und andererseits über ein die Nullstellung festlegendes optisches
Bauelement zwei aufeinanderfolgende Lichtimpulse erzeugt werden, deren zeitlicher
Abstand das direkte Maß für den gemessenen Winkel liefert.
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Zur Übertragung von bereits in Form elektrischer Signale vorliegenden
Meßwerten oder Steuerimpulsen zwischen relativ zueinander rotierenden Teilen ist
auch diese bekannte Einrichtung weder bestimmt noch geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
die es mit Hilfe einfacher mechanischer und elektrischer Mittel gestattet, auch
große Informationsmengen unter allen Umständen störsicher und vor allem ununterbrochen
zwischen relativ zueinander rotierenden Teilen von Maschinen oder Einrichtungen
zu übertragen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der eingangs an
erster Stelle als bekannt unterstellten Vorrichtung
aus, bei welcher
die als elektrische Signale vorliegenden Meßwerte oder Steuerimpulse, wie im Falle
der Funkübertragung, in Form modulierter elektromagnetischer Strahlung zwischen
den relativ zueinander rotierenden Teilen übertragen werden, kennzeichnet sich dieser
gegenüber aber dadurch, daß sie aus zwei untereinander gleichen, sich mit Abstand
spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden, zueinander und zur Rotationsachse koaxialen
Zylindermänteln aus einem durchsichtigen Material mit einem Brechungsindex zu 1
besteht, von denen der eine um die Rotationsachse drehbar ist, während der andere
relativ feststeht, wobei die einander zugekehrten Stirnkanten der Zylindermäntel
in der Radialebene eben ausgebildet sind, während die einander abgekehrten, nach
innen verspiegelten Stirnkanten in der Abwicklung mindestens angenähert parabeiförmig
verlaufend ausgebildet sind und daß im Brennpunkt der parabelförmig verlaufenden
Kante des einen Zylindermantels eine, modulierte elektromagnetische Strahlung im
optischen Bereich abgebende Strahlungsquelle und im Brennpunkt der parabelförmig
verlaufenden Kante des gegenüberliegenden Zylindermantels ein diese Strahlung gebündelt
empfangender Strahlungsempfänger angeordnet ist.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung hat im Gegensatz zu berührungslos
arbeitenden Übertragungsvorrichtungen mittels Funkstrecken den erheblichen Vorteil,
daß die Verwendung optischer Strahlung als Informationsträger wesentlich größere
Informationsflüsse zuläßt, ohne daß benachbarte Anlagen beeinträchtigt werden und
daß jede etwa störende Fremdstrahlung leicht abgeschirmt werden kann, so daß ein
äußerst hoher Grad an Störsicherheit gewährleistet ist.
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Die zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gehörenden mechanischen Bauteile
sind verhältnismäßig einfach und daher
leicht und billig herzustellen,
wobei die Vorrichtung auch jederzeit nachträglich bei Maschinen oder Einrichtungen
eingebaut werden kann, ohne daß damit ein allzu großer Aufwand verbunden wäre.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verlauf der reflektierenden
Kanten der beiden sich relativ zueinander drehenden Zylindermäntel entsprechend
einer mathematisch eindeutigen Parabel ausgebildet, doch kann von dieser Idealform
um den Preis eines entsprechenden Streu- bzw. Wirkungsgradverlustes mehr oder weniger
abgewichen werden.
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Eine besonders einfache Ausführungsform besteht darin, daß die beiden
Zylindermäntel aus glasklarem Kunststoff mit einem wesentlich größeren Brechungsindex
als Luft bestehen Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Zylindermäntel mit Ausnahme
der Strahlungseintritts- und Strahlungsaustrittsflächen, d.h. des Bereichs der sich
einander gegenüberliegenden Stirnkanten sowie der im Brennpunkt befindlichen Bohrungen
für die Aufnahme der Strahlungsquelle bzw. des Strahlungsempfängers, auf ihrer gesamten
übrigen Oberfläche nach innen zu verspiegeln.
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Die Strahlungsquelle besteht bevorzugt aus einer Leuchtdiode, während
der Strahlungsempfänger bevorzugt aus einer Photodiode besteht.
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Eine besonders zweckmäßige Vorrichtung zur Übertragung von Meßsignalen
aus rotierenden Maschinenteilen auf außerhalb der Maschine angeordnete Empfangsgeräte
über den jeweils ruhenden Maschinenteil kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch,
daß
der eine der beiden, die Maschinenwelle umgebenden Zylindermäntel mit der Welle
drehfest verbunden ist, während der diesem gegenüberliegende Zylindermantel relativ
feststeht und daß sich im Brennpunkt des mit der Welle drehfest verbundenen Zylindermantels
die Strahlungsquelle befindet.
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Selbstverständlich ist die Anordnung umgekehrt, wenn es sich darum
handelt5 auf den rotierenden Maschinenteil statt dessen über den jeweils ruhenden
Maschinenteil von außen Steuerimpulse zu übertragen.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 die Übertragungsvorrichtung in einer Ansicht auf die Maschinenwelle;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Maschinenwelle nach der Linie II - II in Fig.
1; Fig. 3 die beiden Zylindermäntel in der Abwicklung in die Zeichnungsebene; Fig.
4 einen Schnitt nach der Linie IV - IV der Fig.3 und Fig. 5 ein Anwendungsschema
der Vorrichtung.
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Auf der Maschinenwelle 6 sind zwei untereinander gleiche Zylindermäntel
13 und 14 angeordnet, von denen der Zylindermantel 13 unter Vermittlung einer haftenden
Zwischenschicht 20 drehfest mit der Welle 6 verbunden ist, während der diesem mit
einem geringen Abstand z spiegelsymmetrisch gegenüberliegende Zylindermantel 14
die Welle 6 mit geringem Radialspiel y umgibt und relativ zu dieser sowie zum gegenüberliegenden
Zylindermantel 13 feststeht. Beide Zylindermäntel bestehen aus
einem
glasklaren Kunststoff mit einem Brechungsindex, der möglichst wesentlich größer
als 1 bzw. der von Luft ist.
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Wie die Abwicklung der beiden Zylindermäntel in die Zeichnungsebene
gemäß Fig. 3 zeigt, verlaufen die einander zugekehrten Stirnkanten 13a und 114a
der beiden Zylindermäntel zueinander parallel, und zwar längs einer Geraden quer'zur
Wellenachse. Die einander abgekehrten Stirnkanten oder -flächen 13b und 14b der
beiden Zylindermäntel entsprechen dem Verlauf einer mathematisch eindeutigen Parabel.
Mindestens diese parabelförmig verlaufenden Kanten 13b und 14b sind nach innen zu,
wie die gestrichelte Linie andeutet, verspiegelt, so daß sie ein entsprechend hohes
Reflektionsvermögen besitzen.
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Bei dem darge'ellten Ausführungsbeispiel befindet sich in einer den
Brennpunkt umschließenden Ausnehmung 21 des als Lichtleitkörper dienenden Teiles
13 eine Leuchtdiode als Strahlungsquelle 5, während sich in einer entsprechenden,
den Brennpunkt umschließenden Ausnehmung 22 des gegenüberliegenden Teiles 14 eine
Photodiode als Strahlungsempfänger 10 befindet.
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Es ist aus Fig. 3 deutlich, daß ein in der Ebene liegender Lichtstrahl,
der die Leuchtdiode 5 verläßt, nach der Reflektion an der nach innen verspiegelten
Stirnkante 13b diesen Teil senkrecht zu der Kante 13a verläßt und durch die dazu
parallele Kante 14a in den gegenüberliegenden Lichtleitkörper 14 eintritt, um nach
erneuter Reflektion an dessen nach innen verspiegelter AuRenkante 14b auf den aus
einer Photodiode bestehenden Strahlungsempfänger 10 zutreffen. Die von der Strahlungsquelle
5 ausgehende, im optischen Bereich liegende, modulierte elektromagnetische Strahlung
kann beide Körper nur
durch die sich gegenüberliegenden Kanten
13a und 14a verlassen oder in sie eintreten, weil die Strahlung durch mehrfache
Reflektion an den in der Zeichnungsebene liegenden Grenzflächen, z.B. durch Verspiegelung,
daran gehindert wird, sie durch diese Flächen hindurch zu verlassen.
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Es ist einleuchtend, daß der zuvor beschriebene Strahlengang unverändert
bleibt, wenn die Lichtleitkörper gemäß Fig. 3 kreiszylindrische Form erhalten und
auf diese Weise die in Fig. 1 veranschaulichten beiden Zylindermäntel 13 und 14
bilden, wobei es im übrigen für die bestimmungsgemäße Funktion belanglos ist, ob
diese Zylindermäntel nahtlos hergestellt sind oder aus entsprechenden ebenen Körpern,
wie sie in Fig. 3 veranschaulicht sind, bestehen5 die anschließend in die kreiszylindrische
Form gebracht und an der Nahtstelle miteinander verbunden sind oder stumpf voreinanderstoßen.
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Es ist weiterhin einleuchtend, daß an diesem Strahlengang auch durch
eine relative Rotation der beiden sich mit Abstand spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden
Zylindermäntel sich nichts geändert wird. Daraus ergibt4 daß der in Fig. 3 veranschaulichte
und zuvor beschriebene Strahlengang von der als Leuchtdiode ausgebildeten Strahlungsquelle
5 zu dem als Photodiode ausgebildeten Strahlungsempfänger 10 auch bei relativer
Rotation beider Zylindermäntel auf optischem Wege so geführt wird, daß bei der tJbertragungsvorrichtung
ein ununterbrochener optischer Kontakt zwischen beiden sich relativ zueinander drehenden
Teilen aufrechterhalten bleibt. Dieser führt dazu, daß im Spalt z zwischen den beiden
als Lichtleitkörper dienenden Zylindermänteln 13 und 14 ein geschlossener, die Informationen
übertragender zylindrischer Lichtvorhang entsteht, der ungeachtet der relativen
Rotation von Strahlungsquelle und Strahlungsempfanger
einen dauernden
Informationsfluß ermöglicht.
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Das Anwendungsschema gemäß Fig. 5 betrifft eine Anordnung, bei welcher
Meßsignale mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem rotierenden Maschinenteil
über den ruhenden Maschinenteil auf ein außerhalb der Maschine befindliches feststehendes
Meßdaten-Speichergerät übertragen werden. Bei dem in Fig. 5 veranschaulichten Ausführungsbeispiel
handelt es sich um den Fall von Temperaturmessungen an mehreren Meßstellen 1 des
Läufers eines Drehstrom-Asynchronmotors, wobei die auf übliche Weise vom Läufer
abgenommenen Meßwerte in Form elektrischer Signale unter Vermittlung eines Modulators
4 zunächst an die batteriebetriebene Leuchtdiode 5 im Brennpunkt des mit der Maschinenwelle
drehfest verbundenen Zylindermantels 13 weitergeleitet werden. Die im Brennpunkt
des gegenüberliegenden, feststehenden Zylindermantels 14 befindliche Photodiode
10 nimmt die von der Leuchtdiode 5 ausgesandte, im optischen Bereich liegende modulierte
elektromagnetische Strahlung auf und leitet sie über einen Demodulator 11 auf ein
Bandgerät 12, das in diesem Falle den Meßdaten-Speicher bildet.