DE2166284A1 - Vorrichtung zur uebertragung von messwerten aus oder von steuerimpulsen in maschinen bzw. einrichtungen mit relativ zueinander rotierenden teilen - Google Patents

Vorrichtung zur uebertragung von messwerten aus oder von steuerimpulsen in maschinen bzw. einrichtungen mit relativ zueinander rotierenden teilen

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DE2166284A1 DE19712166284 DE2166284A DE2166284A1 DE 2166284 A1 DE2166284 A1 DE 2166284A1 DE 19712166284 DE19712166284 DE 19712166284 DE 2166284 A DE2166284 A DE 2166284A DE 2166284 A1 DE2166284 A1 DE 2166284A1
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auch diese Verfahren haben jedoch nicht befriedigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine ununterbrochene Informationsübertragung zwischen zwei relativ zueinander rotierenden Teilen ist mit Hilfe dieser Vorrichtung weder vorgesehen noch möglich.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Strahlungsquelle besteht bevorzugt aus einer Leuchtdiode, während der Strahlungsempfänger bevorzugt aus einer Photodiode besteht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

  1. Patentansprüche:
    Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus oder von Steuerimpulsen in Maschinen bzw. Einrichtungen mit relativ zueinander rotierenden Teilen5 bei welcher dem einenTeil 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sie aus zwei untereinander gleichen, sich mit Abstand spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden, zueinander und zur Rotationsachse (x) koaxialen Zylindermänteln (13, 14) aus einem durchsichtigen Material mit einem Brechungsindex > 1 besteht, von denen der eine um die Rotationsachse drehbar ist, während der andere relativ feststeht, wobei die einander zugekehrten Stirnkanten (13a, 14a) der Zylindermäntel (13, 14) in der Radialebene eben ausgebildet sind, während die einander abgekehrten, nach innen verspiegelten Stirnkanten (13b, 14b) in der Abwicklung mindestens angenähert parabelförmig verlaufend ausgebildSet sind, und daß im Brennpunkt der parabelförmig verlaufenden Kante des einen Zylindermantels eine, modulierte elektromagnetische Strahlung im optischen Bereich abgebende Strahlungsquelle (5) und im Brennpunkt der parabelförmig verlaufenden Kante des gegenüberliegenden Zylindermantels ein diese Strahlung gebündelt empfangender Strahlungsempfänger (10) angeordnet ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Zylindermäntel (13, 14) aus glasklarem Kunststoff mit einem wesentlich größeren Brechungsindex als Luft bestehen.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , daß die Zylindermäntel (13, 14) mit Ausnahme der Strahlungseintritts- und Strahlungsaustrittsflächen (13a, 14a) auf ihrer übrigen Oberfläche nach innen verspiegelt sind.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Strahlungsquelle f5) aus einer Leuchtdiode besteht.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Strahluhgsempfänger (10) aus einer Photodiode besteht.
  6. 6. Vorrichtung zur Übertragung von Meßsignalen aus rotierenden Maschinenteilen auf außerhalb der Maschine angeordnete Empfangsgeräte über den jeweils ruhenden Maschinenteil nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der eine der beiden, die Maschinenwelle (6) umgebenden Zylindermäntel (13) mit der Welle (6) drehfest verbunden ist, während der diesem gegenüberliegende Zylindermantel (14) relativ feststeht und daß sich im Brennpunkt (21) des mit der Welle (6) drehfest verbundenen Zylindermantels (13) die Strahlungsquelle (5) befindet. Leerseite
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